JP2006050403A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の光電変換部が配置された固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device in which a plurality of photoelectric conversion units are arranged.
従来のMOS(Metal Oxide Semiconductor )型イメージセンサ(例えば特許文献1に記載)の構成の一例を、回路図として図10に示す。 An example of the configuration of a conventional MOS (Metal Oxide Semiconductor) image sensor (for example, described in Patent Document 1) is shown as a circuit diagram in FIG.
図10に示した従来のMOS型イメージセンサーは、複数の光電変換セル11がマトリックス状に配列された撮像領域12と、配列された複数の光電変換セル11のうちから垂直方向の選択を行なう垂直シフトレジスタ13と、配列された複数の光電変換セル11のうちから水平方向の選択を行なう水平シフトレジスタ14と、垂直シフトレジスタ13及び水平シフトレジスタ14対してパルスを供給するタイミング発生回路15とを基板(図示省略)上に備えている。
The conventional MOS type image sensor shown in FIG. 10 has an
また、垂直シフトレジスタ13に接続された読み出しパルス線21、リセットパルス線22及び選択パルス線23と、電源線24と、水平シフトレジスタ14に接続された信号線25とが基板上に形成されている。
Further, a
更に、撮像領域12中に配列されている各光電変換セル11は、フォトダイオードからなる光電変換部31と、光電変換部31において発生する電荷を転送する転送トランジスタ32と、光電変換部31において発生する電荷を蓄積するフローティングディフュージョン(以下FDと略す:Floating Diffusion)部33と、FD部33に蓄積された電荷を掃き出すリセットトランジスタ34と、FD部33に蓄積された電荷を検出し、信号を出力する増幅トランジスタ35と、増幅トランジスタ35が信号を出力するタイミングを制御する選択トランジスタ36とを備えている。
Further, each
ここで、光電変換部31は、陽極が接地され、陰極が転送トランジスタ32のソースと接続されている。
Here, the
また、転送トランジスタ32は、ソースが光電変換部31の陰極と接続され、ドレインがFD部33、リセットトランジスタ34のソース及び増幅トランジスタ35のゲートと接続され且つゲートが読み出しパルス線21と接続されている。
The
また、リセットトランジスタ34は、ソースが転送トランジスタ32のドレイン、FD部33及び増幅トランジスタ35のゲートと接続され、ドレインが電源線24及び増幅トランジスタ35のドレインと接続され且つゲートがリセットパルス線22と接続されている。
The
また、増幅トランジスタ35は、ソースが選択トランジスタ36のドレインと接続され、ドレインが電源線24及びリセットトランジスタ34のドレインと接続され且つゲートが転送トランジスタ32のドレイン、FD部33及びリセットトランジスタ34のソースと接続されている。
The
また、選択トランジスタ36は、ソースが信号線25に接続され、ドレインが増幅トランジスタ35のソースと接続され且つゲートが選択パルス線23と接続されている。
The
以上説明した従来のMOS型イメージセンサーは、次のようにして入力された光を信号として検出する。 The conventional MOS image sensor described above detects light input as a signal as follows.
光電変換部31において、入力された光は電荷に変換される。信号線25に所定の電圧が印加された状態において、該電荷は、転送トランジスタ32がONになった際にFD部33に転送され、FD部33の電位を変化させる。FD部33の電位は増幅トランジスタ35によって検出され、増幅トランジスタ35は、検出した電位に基づく信号を選択トランジスタ36がONになった際に、信号線25を介して出力する。
In the
また、このような電荷の読み出しは、垂直シフトレジスタ13及び水平シフトレジスタ14によって個々の光電変換部31を順に選択することにより、1行ごとに行なわれるようになっている。
しかしながら、前記従来の固体撮像装置は、配列された光電変換部からの信号を1行ごとに読み出すようになっているため、個々の光電変換部ごとに読み出しの行なわれる時刻にずれが生じることになる。この結果、高速移動する対象を撮影する際には、1画面に相当する電荷の読み出しが完了する間に対象の位置が変化するため、撮像される画像に歪みが生じることになる。 However, since the conventional solid-state imaging device reads the signals from the arranged photoelectric conversion units for each row, there is a difference in the time at which each photoelectric conversion unit is read. Become. As a result, when shooting an object that moves at high speed, the position of the object changes while reading of the charge corresponding to one screen is completed, so that the captured image is distorted.
上記の課題に鑑み、本発明は、電荷の高速な読み出しを可能とする固体撮像装置を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of reading charges at high speed.
前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、行列を構成するように配列されており、光電変換を行なう光電変換部をそれぞれ有する複数の光電変換セルを備えた固体撮像装置であって、複数の光電変換セルのうち、同一の列に含まれ且つ隣り合う行に配列されている一組の光電変換セル毎に複数の列グループが構成されており、複数の光電変換部に接続され且つ該複数の光電変換部から電荷が転送される複数のフローティングディフュージョン部と、複数の光電変換部と複数のフローティングディフュージョン部との間に設けられ且つ複数の光電変換部から複数のフローティングディフュージョン部に電荷を転送する複数の転送トランジスタと、複数の列グループ中の複数の転送トランジスタを共通して制御する読み出しパルス線と、複数のフローティングディフュージョン部の電位を検出し、信号として出力する複数の画素アンプトランジスタと、複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するための複数の信号線とを備えている。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device that includes a plurality of photoelectric conversion cells that are arranged to form a matrix and each have a photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion. Among the plurality of photoelectric conversion cells, a plurality of column groups are configured for each set of photoelectric conversion cells included in the same column and arranged in adjacent rows, and connected to the plurality of photoelectric conversion units. And a plurality of floating diffusion portions to which charges are transferred from the plurality of photoelectric conversion portions, and a plurality of floating diffusion portions provided between the plurality of photoelectric conversion portions and the plurality of floating diffusion portions. Read pulse line for commonly controlling a plurality of transfer transistors for transferring charges to and a plurality of transfer transistors in a plurality of column groups Includes detecting the potentials of the floating diffusion portion, and a plurality of pixel amplifier transistor for outputting a signal, and a plurality of signal lines for a plurality of pixel amplifier transistor outputs a signal.
本発明の固体撮像装置によると、1本の読み出しパルス線によって、1つの列グループに属する複数の転送トランジスタを同時に制御すると共に、該列グループに属する複数の画素アンプトランジスタが出力する出力信号をそれぞれ個別に形成された複数の信号線によって同時に出力することができる。これにより、複数行についての電荷の読み出しを同時に行なうことができるため、光電変換セル全てからの電荷の読み出しを高速に行うことができる。 According to the solid-state imaging device of the present invention, a plurality of transfer transistors belonging to one column group are simultaneously controlled by one readout pulse line, and output signals output from a plurality of pixel amplifier transistors belonging to the column group are respectively output. A plurality of signal lines formed individually can be output simultaneously. As a result, charges can be read from a plurality of rows at the same time, so that charges can be read from all the photoelectric conversion cells at high speed.
尚、本発明の固体撮像装置において、複数の光電変換セルのうち、同一の行に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セル毎に複数の行グループが形成され、複数のフローティングディフュージョン部は、各行グループに含まれる各光電変換部から電荷が転送される共通のフローティングディフュージョン部であり、複数の読み出しパルス線は、各行グループに含まれる複数の転送トランジスタに対して個別に形成されている複数の読み出しパルス線であることが好ましい。 In the solid-state imaging device of the present invention, among the plurality of photoelectric conversion cells, a plurality of row groups are formed for each of the plurality of adjacent photoelectric conversion cells included in the same row. A common floating diffusion unit to which charges are transferred from each photoelectric conversion unit included in the group, and a plurality of readout pulse lines are formed separately for a plurality of transfer transistors included in each row group. A pulse line is preferred.
このようにすると、行グループ中において複数の光電変換セルに対して共通のフローティングディフュージョン部(FD部)が形成されているため、光電変換部1つあたりのFD部の数が削減されている。このことから、全ての光電変換部からの電荷の読み出しを高速化する効果に加え、光電変換セルに対するFD部の面積が小さくなり、この結果として、光電変換セルに対する光電変換部の面積(開口率)の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。 In this way, since a common floating diffusion part (FD part) is formed for a plurality of photoelectric conversion cells in the row group, the number of FD parts per photoelectric conversion part is reduced. From this, in addition to the effect of speeding up the reading of charges from all the photoelectric conversion units, the area of the FD unit with respect to the photoelectric conversion cells is reduced. As a result, the area of the photoelectric conversion unit with respect to the photoelectric conversion cells (the aperture ratio) ) And miniaturization of the photoelectric conversion cell can be realized.
また、読み出しパルス線は1つの行グループに含まれる複数の転送トランジスタに対して個別に形成されている複数の読み出しパルス線となっているため、複数の光電変換部の電荷は個々に読み出すことができる。 Further, since the readout pulse line is a plurality of readout pulse lines formed individually for a plurality of transfer transistors included in one row group, the charges of the plurality of photoelectric conversion units can be individually read out. it can.
また、本発明の固体撮像装置において、複数の画素アンプトランジスタ及び前記複数の信号線は、いずれも前記行グループ毎に共通して形成されていることが好ましい。 In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that the plurality of pixel amplifier transistors and the plurality of signal lines are formed in common for each row group.
このようにすると、行グループ中において複数の光電変換セルによって画素アンプトランジスタ及び信号線が共有されるため、光電変換セル1つあたりの画素アンプトランジスタ及び信号線の数が削減される。このことから光電変換セルに対する画素アンプトランジスタ及び信号線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。 In this way, since the pixel amplifier transistors and the signal lines are shared by the plurality of photoelectric conversion cells in the row group, the number of pixel amplifier transistors and signal lines per photoelectric conversion cell is reduced. Accordingly, the area of the pixel amplifier transistor and the signal line with respect to the photoelectric conversion cell is reduced. As a result, improvement in the aperture ratio of the photoelectric conversion unit and miniaturization of the photoelectric conversion cell can be realized.
また、本発明の固体撮像装置は、行グループ毎に共通して形成された、複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するタイミングを制御する複数のスイッチングトランジスタと、複数のスイッチングトランジスタを制御する複数の選択パルス線とを更に備えていることが好ましい。 The solid-state imaging device of the present invention includes a plurality of switching transistors that are formed in common for each row group and that control timings at which a plurality of pixel amplifier transistors output signals, and a plurality of switching transistors that control the plurality of switching transistors. It is preferable to further include a selection pulse line.
このようにすると、選択パルス線によって制御されるスイッチングトランジスタを用い、画素アンプトランジスタが信号を出力するタイミングを制御することができる。また、そのような構成を有する固体撮像装置において、スイッチングトランジスタ及び選択パルス線は行グループ中において複数の光電変換セルによって共有されるため、光電変換セル1つあたりのスイッチングトランジスタ及び選択パルス線の数が削減されている。このことから光電変換セルに対するスイッチングトランジスタ及び選択パルス線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。 In this case, the switching transistor controlled by the selection pulse line can be used to control the timing at which the pixel amplifier transistor outputs a signal. In the solid-state imaging device having such a configuration, since the switching transistors and the selection pulse lines are shared by a plurality of photoelectric conversion cells in the row group, the number of the switching transistors and the selection pulse lines per photoelectric conversion cell. Has been reduced. Accordingly, the area of the switching transistor and the selection pulse line with respect to the photoelectric conversion cell is reduced. As a result, improvement in the aperture ratio of the photoelectric conversion unit and miniaturization of the photoelectric conversion cell can be realized.
また、本発明の固体撮像装置は、フ複数のローティングディフュージョン部の電位をリセットするための複数のリセット手段を更に備えることが好ましい。 The solid-state imaging device of the present invention preferably further includes a plurality of reset means for resetting the potentials of the plurality of rotating diffusion portions.
このようにすると、光電変換部から電荷が転送されるフローティングディフュージョン部の電位を調節することができる。 In this way, the potential of the floating diffusion part to which charges are transferred from the photoelectric conversion part can be adjusted.
また、リセット手段は、行グループ毎に共通して形成された、各フローティングディフュージョン部の電荷を排出する複数のリセットトランジスタ及び複数のリセットトランジスタを制御する複数のリセットパルス線を含むことが好ましい。 The reset means preferably includes a plurality of reset transistors for discharging the charges of the respective floating diffusion portions and a plurality of reset pulse lines for controlling the plurality of reset transistors, which are formed in common for each row group.
このようにすると、フローティングディフュージョン部の電位を確実に調節することができると共に、行グループ中において複数の光電変換セルによってリセットトランジスタ及びリセットパルス線が共有されるため、光電変換セル1つあたりのリセットトランジスタ及びリセットパルス線の数が削減される。このことから光電変換セルに対するリセットトランジスタ及びリセットパルス線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。 In this way, the potential of the floating diffusion portion can be reliably adjusted, and the reset transistor and the reset pulse line are shared by a plurality of photoelectric conversion cells in the row group. The number of transistors and reset pulse lines is reduced. Accordingly, the areas of the reset transistor and the reset pulse line with respect to the photoelectric conversion cell are reduced, and as a result, improvement in the aperture ratio of the photoelectric conversion unit and miniaturization of the photoelectric conversion cell can be realized.
また、リセット手段は、列グループ毎に共通して形成された、各フローティングディフュージョン部の電荷を排出する複数のリセットトランジスタ及び複数のリセットトランジスタを制御する複数のリセットパルス線を含むことが好ましい。 The reset means preferably includes a plurality of reset transistors for discharging the charges of each floating diffusion portion and a plurality of reset pulse lines for controlling the plurality of reset transistors, which are formed in common for each column group.
このようにすると、フローティングディフュージョン部の電位を確実に調節することができると共に、列グループ中において複数の光電変換セルによってリセットトランジスタ及びリセットパルス線が共有されるため、光電変換セル1つあたりのリセットトランジスタ及びリセットパルス線の数が削減される。このことから光電変換セルに対するリセットトランジスタ及びリセットパルス線の面積が小さくなり、この結果として、光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。 In this way, the potential of the floating diffusion portion can be reliably adjusted, and the reset transistor and the reset pulse line are shared by a plurality of photoelectric conversion cells in the column group, so that reset per photoelectric conversion cell is possible. The number of transistors and reset pulse lines is reduced. Accordingly, the areas of the reset transistor and the reset pulse line with respect to the photoelectric conversion cell are reduced, and as a result, improvement in the aperture ratio of the photoelectric conversion unit and miniaturization of the photoelectric conversion cell can be realized.
また、本発明の固体撮像装置は、少なくとも複数の光電変換部の間のピッチについて、少なくとも水平方向又は垂直方向のいずれか一方の方向に関して等ピッチに形成されていることが好ましい。 In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that at least the pitch between the plurality of photoelectric conversion units is formed at an equal pitch in at least one of the horizontal direction and the vertical direction.
このようにすると、等ピッチに形成された光電変換部を用いて検出される信号に基づき、高画質な画像を得ることができる。 In this way, a high-quality image can be obtained based on signals detected using the photoelectric conversion units formed at an equal pitch.
また、本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換セルから出力される信号を処理する信号処理回路を更に備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the solid-state imaging device of the present invention further includes a signal processing circuit that processes signals output from the plurality of photoelectric conversion cells.
このようにすると、光電変換セルによって出力された信号を処理し、画像を得ることができる。 In this way, an image can be obtained by processing the signal output by the photoelectric conversion cell.
また、本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換セルに電位を供給する複数の電源線を更に備え、複数の電源線はフローティングディフュージョン部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての機能を有することが好ましい。 The solid-state imaging device of the present invention further includes a plurality of power supply lines for supplying potentials to the plurality of photoelectric conversion cells, and the plurality of power supply lines serve as a light-shielding film that prevents light from entering the floating diffusion portion. It preferably has a function.
このようにすると、複数の電源線は、信号線等の他の配線とは異なる層に形成されることから、更なる光電変換部の開口率の向上及び光電変換セルの微細化が実現できる。 In this way, since the plurality of power supply lines are formed in a layer different from other wirings such as signal lines, further improvement of the aperture ratio of the photoelectric conversion unit and miniaturization of the photoelectric conversion cell can be realized.
本発明の固体撮像装置は、同一の列に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セルがそれぞれ有する転送トランジスタを、共通の読み出しパルス線によって制御することにより、該複数の光電変換セルからの出力信号を同時に読み出すことができる。これにより、複数の行を同時に読み出すことができるため、1行ずつ読み出しを行なっていた従来の固体撮像装置に比べて高速に全光電変換セルからの信号を読み出すことができる。 In the solid-state imaging device of the present invention, the output transistors from the plurality of photoelectric conversion cells are controlled by controlling the transfer transistors included in the plurality of adjacent photoelectric conversion cells in the same column by a common readout pulse line. Can be read simultaneously. Thereby, since a plurality of rows can be read out simultaneously, signals from all the photoelectric conversion cells can be read out at a higher speed as compared with the conventional solid-state imaging device that reads out one row at a time.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換セルの配列の一例を説明する図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an array of photoelectric conversion cells of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
図1に示すように、第1の実施形態の固体撮像装置においては、基板S上に、入射された光を強度に応じて光電変換する機能を有する光電変換セルCが配列され、行列を形成している。また、同一列に含まれ且つ隣接する3つの光電変換セルCにより、列グループCGが形成されている。 As shown in FIG. 1, in the solid-state imaging device of the first embodiment, photoelectric conversion cells C having a function of photoelectrically converting incident light according to intensity are arranged on a substrate S to form a matrix. is doing. In addition, a column group CG is formed by three photoelectric conversion cells C included in the same column and adjacent to each other.
次に、図2は、第1の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を示している。図2には、3行1列の3つの光電変換セル、言い換えると、1つの列グループに含まれる3つの光電変換セルC1、C2及びC3を拡大して示している。 Next, FIG. 2 shows a circuit configuration of an imaging region in the solid-state imaging device according to the first embodiment. In FIG. 2, three photoelectric conversion cells of 3 rows and 1 column, in other words, three photoelectric conversion cells C1, C2, and C3 included in one column group are shown in an enlarged manner.
まず、光電変換セルC1の構成を説明する。 First, the configuration of the photoelectric conversion cell C1 will be described.
光電変換セルC1において、光電変換部101aと、光電変換セル101aから電荷を転送する転送トランジスタ121aと、光電変換部101aから電荷が転送されるFD部111と、FD部111の電荷を排出する、言い換えると、FD部111の電位をリセットする、リセットトランジスタ122とが形成されている。
In the photoelectric conversion cell C1, the
また、光電変換セルC1において、FD部111の電位を検出し、検出した電位に応じた信号を出力する画素アンプトランジスタ123と、画素アンプトランジスタ123が信号を出力するタイミングを制御するスイッチングトランジスタ124とが形成されている。
In the photoelectric conversion cell C1, the
更に、光電変換セルC1に対応する読み出しパルス線(READ)131aと、画素アンプトランジスタ123の出力する信号を伝達する信号線132aと、画素アンプトランジスタ123を駆動するためのロードトランジスタ125aと、ロードトランジスタ125aを制御するロードゲート線(LGCELL)133と、ロードトランジスタ125aのソース電源線(SCELL )134とが形成されている。また、図示は一部省略しているが、リセットトランジスタ122を制御するリセットパルス線135と、スイッチングトランジスタ124を制御する選択パルス線136と、光電変換セルに電源を供給するセル電源線(VDDCELL )vdd も形成されている。
Further, a readout pulse line (READ) 131a corresponding to the photoelectric conversion cell C1, a
ここで、光電変換部101aは、例えばフォトダイオード等からなり、陽極が接地され且つ陰極が転送トランジスタ121aのソースに接続されている。
Here, the
また、転送トランジスタ121aは、ソースが光電変換部101aの陰極に接続され、ドレインがFD部111、リセットトランジスタ122のソース及び画素アンプトランジスタ123のゲートに接続され且つゲートが読み出しパルス線131aに接続されている。
The
また、リセットトランジスタ122は、ソースが転送トランジスタ121aのドレイン、FD部111及び画素アンプトランジスタ123のゲートと接続され、ドレインがセル電源線vdd 及び画素アンプトランジスタ123のドレインと接続され且つゲートがリセットパルス線135と接続されている。
The
また、画素アンプトランジスタ123は、ソースがスイッチングトランジスタ124のドレインと接続され、ドレインがセル電源線vdd 及び転送トランジスタのドレインと接続され且つゲートが転送トランジスタ121aのドレイン、FD部111及びリセットトランジスタ122のソースと接続されている。
The
また、スイッチングトランジスタ124は、ソースが信号線132aと接続され、ドレインが画素アンプトランジスタ123のソースと接続され且つゲートが選択パルス線136と接続されている。
The switching
また、光電変換セルC2は、光電変換セルC1と同様の構成を有している。つまり、光電変換部201aと、転送トランジスタ221aと、FD部211と、リセットトランジスタ222と、画素アンプトランジスタ223と、スイッチングトランジスタ224とを備えている。更に、光電変換セルC2において、読み出しパルス線131a、信号線132b、リセットパルス線235、選択パルス線236及びセル電源線vdd がそれぞれ所定の位置に接続され、信号線132bにはロードトランジスタ125bが接続されている。これらの構成は光電変換セルC1と同様であるため、詳しい説明は省略する。
Further, the photoelectric conversion cell C2 has the same configuration as the photoelectric conversion cell C1. In other words, the
また、光電変換セルC3も、光電変換セルC1と同様の構成を有している。つまり、光電変換部301aと、転送トランジスタ321aと、FD部311と、リセットトランジスタ322と、画素アンプトランジスタ323と、スイッチングトランジスタ324とを備えている。更に光電変換セルC3において、読み出しパルス線131a、信号線132c、リセットパルス線335、選択パルス線336及びセル電源線vdd がそれぞれ所定の位置に接続され、信号線132cにはロードトランジスタ125cが接続されている。これらの構成は光電変換セルC1と同様であるため、詳しい説明は省略する。
The photoelectric conversion cell C3 has the same configuration as the photoelectric conversion cell C1. In other words, the
以上のように、本実施形態の固体撮像装置における同じ列グループに含まれる3つの光電変換セルC1、C2及びC3においては、それぞれの転送トランジスタ121a、221a及び321aは、それぞれのゲートがいずれも共通の読み出しパルス線131aに接続され且つ読み出しパルス線131aによって一括して制御されている。また、それぞれのスイッチングトランジスタ124、224及び324は、それぞれのソースが順に信号線132a、132b及び132cに接続され、3つの光電変換セルC1、C2及びC3がそれぞれ個別に信号を出力できるようになっている。
As described above, in the three photoelectric conversion cells C1, C2, and C3 included in the same column group in the solid-state imaging device of the present embodiment, the
このような構成をとることにより、同じ列グループに含まれる3つの光電変換セルC1、C2及びC3について同時に信号の読み出しを行うことができる。この結果、3行同時に信号を読み出すことができ、光電変換セル1つ毎に、つまり1行ずつ信号の読み出しを行なっていた従来の固体撮像装置に比べて3倍の速さで信号を読み出すことができる。 By adopting such a configuration, signals can be simultaneously read out from the three photoelectric conversion cells C1, C2, and C3 included in the same column group. As a result, signals can be read out simultaneously for three rows, and signals are read out three times faster than conventional solid-state imaging devices that read out signals for each photoelectric conversion cell, that is, one row at a time. Can do.
尚、光電変換セルに電位を供給するセル電源線vdd が、FD部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての役割を果たす構造とすると、光電変換セルの縮小及び開口率の向上を実現でき、例えば開口率は8%になる。例えば、信号線132a等とは異なる面内であり且つFD部を覆うような位置にセル電源線vdd を配置すれば良い。このようにしない場合の開口率は5%程度であったから、3%の開口率向上が実現している。
If the cell power supply line vdd for supplying a potential to the photoelectric conversion cell serves as a light shielding film for preventing light from entering the FD portion, the photoelectric conversion cell can be reduced and the aperture ratio can be improved. For example, the aperture ratio is 8%. For example, the cell power line vdd may be arranged at a position that is in a different plane from the
次に、図3は、図2に示した回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示している。ここで、図3におけるそれぞれの構成要素には、図2に示した回路構成の構成要素と対応する同じ符号を付して示している。但し、ロードトランジスタ125a、125b及び125cと、ロードゲート線133と、ソース電源線134と、リセットパルス線135、235及び335と、選択パルス線136、236及び336とについては省略している。
Next, FIG. 3 shows an example of a layout that specifically realizes the circuit configuration shown in FIG. Here, each component in FIG. 3 is denoted by the same reference numeral corresponding to the component of the circuit configuration shown in FIG. However, the
このようなレイアウトとすると、光電変換部のピッチを水平方向及び垂直方向において等間隔にすることができる。これによって、高画質の画像を得ることが容易になる。但し、このようなレイアウトに限るものではない。 With such a layout, the pitches of the photoelectric conversion units can be equally spaced in the horizontal direction and the vertical direction. This facilitates obtaining a high-quality image. However, the layout is not limited to this.
次に、第1の実施形態に係る固体撮像装置の動作について、図面を参照して説明する。 Next, the operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
図4は、スイッチングトランジスタ、リセットトランジスタ及び転送トランジスタにおける電位変化と、光電変換セルから出力される出力信号の変化を示すタイミングチャートである。 FIG. 4 is a timing chart showing potential changes in the switching transistor, reset transistor, and transfer transistor and changes in the output signal output from the photoelectric conversion cell.
動作の初期の状態においては、スイッチングトランジスタ、リセットトランジスタ及び転送トランジスタはいずれもオフ状態である。 In the initial state of operation, the switching transistor, the reset transistor, and the transfer transistor are all in the off state.
本実施形態の固体撮像装置においては、1つの列グループに含まれる3つの光電変換セルから同時に信号を読み出すことにより、3行同時に信号の読み出しを行なうようになっている。 In the solid-state imaging device of the present embodiment, signals are simultaneously read out from three rows by simultaneously reading out signals from three photoelectric conversion cells included in one column group.
また、一連の動作は、水平ブランキング期間内に完結するから、図2に示した3つの光電変換セルについて電荷を検出する1回の水平ブランキング期間の動作について説明する。 Further, since a series of operations are completed within the horizontal blanking period, the operation during one horizontal blanking period in which charges are detected for the three photoelectric conversion cells shown in FIG. 2 will be described.
光電変換部101a、201a及び301aの電荷を転送するため、ロードトランジスタ125a、125b及び125cに所定の一定電荷を印加しておく。また、セル電源線vdd には、常に一定の電圧が印可されている。本実施形態においては、電源電圧が3.3Vであるため、セル電源線vdd には3.3Vの電圧が印可されている。
In order to transfer the charges of the
この状態で、選択パルス線136、236及び336を用いてそれぞれスイッチングトランジスタ124、224及び324をオン状態とし(時刻T1 )、更にリセットパルス線135、235及び335を用いてそれぞれリセットトランジスタ122、222及び322をオン状態とする(時刻T2 )。これによって、FD部111、211及び311の電荷を掃き出し、FD部111、211及び311をリセットする。これと共に、FD部111、211及び311のリセット時の信号レベルがそれぞれ画素アンプトランジスタ123、223及び323によって検出され、更にスイッチングトランジスタ124、224及び324と、信号線132a、132b及び132cとを通じて出力され、ノイズキャンセル回路(図示省略)においてそれぞれ参照レベルとしてクランプされる。
In this state, the switching
次に、リセットトランジスタ122、222及び322をオフ状態にした後、3つの光電変換セルC1、C2及びC3に共通する読み出しパルス線131aにパルス電圧を供給し、転送トランジスタ121a、221a及び321aを全てオン状態とする(時刻T3 )。これによって光電変換部101a、201a及び301aに蓄積されている電荷をそれぞれFD部111、211及び311に転送する。これと共に、FD部111、211及び311に転送された電荷がそれぞれ画素アンプトランジスタ123、223及び323によって検出され、更にそれぞれスイッチングトランジスタ124、224及び324と、信号線132a、132b及び132cとを通じて信号が出力され、ノイズキャンセル回路においてそれぞれ蓄積信号レベルとしてサンプリングされる。このようにして、参照レベルと信号レベルの差を取ることにより、画素アンプトランジスタ124等の有する閾値ばらつき及びノイズ成分等を除去した出力信号を検出することができる。
Next, after the
次に、スイッチングトランジスタ124、224及び324をオフ状態にする(時刻T4 )ことにより、それぞれ画素アンプトランジスタ123、223及び323が信号を出力しない状態とする。
Next, the switching
以上により、3つの光電変換セルC1、C2及びC3について光電変換部の電荷を検出する動作は終了する。 Thus, the operation of detecting the charge of the photoelectric conversion unit for the three photoelectric conversion cells C1, C2, and C3 is completed.
この後、次に3つの光電変換セルC1、C2及びC3の含まれる3行が選択されるまでの間、該3行に含まれる光電変換部は非選択状態となり、動作しない。 Thereafter, until the next three rows including the three photoelectric conversion cells C1, C2, and C3 are selected, the photoelectric conversion units included in the three rows are in a non-selected state and do not operate.
また、該3行以降についても、該3行と同様に3行ずつ同時に出力信号が検出される。 In addition, the output signals are detected at the same time for each of the three and subsequent rows as well as the three rows.
以上のように、本実施形態の固体撮像装置は、3行ずつ同時に出力信号の読み出しを行うことができるため、1行ずつ出力信号の読み出しを行なっていた従来の固体撮像装置と比較すると、3倍の速さで全光電変換セルからの信号を読み出すことができる。 As described above, since the solid-state imaging device according to the present embodiment can simultaneously read out the output signal for every three rows, compared with the conventional solid-state imaging device that reads out the output signal for every row, there are 3 Signals from all photoelectric conversion cells can be read out at double the speed.
尚、本実施形態の固体撮像装置においては、同じ列グループに含まれる3つの光電変換セルC1、C2及びC3はそれぞれ順にリセットトランジスタ122、222及び322を有し、それぞれリセットパルス線135、235及び335が接続されている。また、このような3つのリセットトランジスタ122、222及び322によって、FD部111、211及び311をそれぞれ個別にリセットするようになっている。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, the three photoelectric conversion cells C1, C2, and C3 included in the same column group have reset
しかし、1つの列グループにおいて共有する1つのリセットトランジスタを形成し、該1つのリセットトランジスタによって3つのFD部111、211及び311をリセットするようにしても良い。
However, one reset transistor shared in one column group may be formed, and the three
このようにすると、リセットトランジスタの数を削減することができ、光電変換セルのサイズを縮小することができると共に、光電変換部の開口率を向上できる。 Thus, the number of reset transistors can be reduced, the size of the photoelectric conversion cell can be reduced, and the aperture ratio of the photoelectric conversion unit can be improved.
また、本実施形態の固体撮像装置においては、1つの列グループには3つの光電変換セルが含まれており、これによって3行ずつ同時に出力信号の読み出しを行ないようになっている。しかし、1つの列グループに含まれる光電変換セルの数は3つには限られず、2つ以上であれば良い。例えば2つとすると、2行ずつ同時に読み出すことができ、読み出し速度は2倍となる。ここで、信号線は、同時に読み出す行の数と同数必要になる。 Further, in the solid-state imaging device of the present embodiment, one column group includes three photoelectric conversion cells, so that output signals are read simultaneously for every three rows. However, the number of photoelectric conversion cells included in one column group is not limited to three, and may be two or more. For example, if there are two, two rows can be read simultaneously, and the reading speed is doubled. Here, the same number of signal lines as the number of rows to be read simultaneously are required.
(第1の実施形態の変形例)
次に、第1の実施形態の変形例について説明する。
(Modification of the first embodiment)
Next, a modification of the first embodiment will be described.
第1の実施形態の固体撮像装置においては、光電変換セルはそれぞれスイッチングトランジスタを備えており、これによって出力信号を出力するタイミングを制御するようになっている。 In the solid-state imaging device according to the first embodiment, each photoelectric conversion cell includes a switching transistor, thereby controlling the timing of outputting an output signal.
これに対し、第1の実施形態の変形例においては、スイッチングトランジスタを用いない回路構成としている。具体的には、図2に示した回路構成から、スイッチングトランジスタ124、224及び324をいずれも取り除いた回路構成となっている。ここで、第1の実施形態においてはスイッチングトランジスタ124、224及び324のドレインにそれぞれ接続されている画素アンプトランジスタ123、223及び323のソースは、それぞれ信号線132a、132b及び132cに接続するようにする。
On the other hand, in the modification of the first embodiment, the circuit configuration does not use a switching transistor. Specifically, the circuit configuration shown in FIG. 2 is obtained by removing all the switching
このような回路構成とする場合の1回の水平ブランキング期間の動作について、図5を用い、図4と比較して説明する。 The operation in one horizontal blanking period in the case of such a circuit configuration will be described using FIG. 5 and comparing with FIG.
図5は、セル電源線vdd 、リセットトランジスタ及び転送トランジスタにおける電位変化と、光電変換セルから出力される出力信号の変化を示すタイミングチャートである。 FIG. 5 is a timing chart showing potential changes in the cell power line vdd, the reset transistor and the transfer transistor, and changes in the output signal output from the photoelectric conversion cell.
動作の初期の状態においては、セル電源線vdd にはLow 電圧が供給されており、またリセットトランジスタ及び転送トランジスタはいずれもオフ状態である。 In an initial state of operation, a low voltage is supplied to the cell power supply line vdd, and both the reset transistor and the transfer transistor are off.
第1の実施形態の場合にはスイッチングトランジスタをオン状態とした時刻である時刻T1 (図4参照)において、本変形例の場合には、それまでLow 電圧を供給していたセル電源線vdd にHigh電圧を供給する。 In the case of the first embodiment, at the time T 1 (see FIG. 4), which is the time when the switching transistor is turned on, in the case of this modification, the cell power supply line vdd that has been supplying the low voltage until then. Supply high voltage to
時刻T2 においては、第1の実施形態と同様に、本変形例においてもリセットトランジスタをオン状態とする。これにより、第1の実施形態と同様に、FD部をリセットすると共に参照レベルの信号をノイズキャンセル回路においてクランプする。この後、リセットトランジスタはオフ状態に戻す。 At time T 2, like the first embodiment, and turn on the reset transistor is also in this modification. As a result, as in the first embodiment, the FD unit is reset and the reference level signal is clamped in the noise cancellation circuit. Thereafter, the reset transistor returns to the off state.
次に、時刻T3 において転送トランジスタをオン状態として、光電変換部からFD部に電荷を転送する。これと共に、蓄積信号レベルをノイズキャンセル回路においてサンプリングする。この後、転送トランジスタをオフ状態に戻し、更にその後、セル電源線vdd にLow 電圧を供給する。 Next, at time T 3 , the transfer transistor is turned on to transfer charges from the photoelectric conversion unit to the FD unit. At the same time, the accumulated signal level is sampled by the noise cancellation circuit. Thereafter, the transfer transistor is returned to the OFF state, and thereafter, a low voltage is supplied to the cell power supply line vdd.
続いて、第1の実施形態では選択トランジスタをオフ状態とした時刻T4 において、本変形例においては、リセットトランジスタをオン状態とする。これによって、FD部はセル電源線vdd と同じLow 電圧となるから、画素アンプトランジスタは動作しない状態となる。この後、リセットトランジスタをオフ状態に戻す。 Subsequently, in the first embodiment at time T 4 in which the selection transistor turned off, in this modification, the reset transistor is turned on. As a result, the FD portion has the same low voltage as that of the cell power supply line vdd, so that the pixel amplifier transistor does not operate. Thereafter, the reset transistor is returned to the off state.
以上のようにすると、第1の実施形態の変形例におけるスイッチングトランジスタを用いない回路構成を有する固体撮像装置においても、出力信号を適切に読み出すことができる。 As described above, even in the solid-state imaging device having a circuit configuration that does not use the switching transistor in the modification of the first embodiment, the output signal can be appropriately read.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して説明する。
(Second Embodiment)
Next, a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図6は、第2の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換セルの配列の一例を説明する図である。 FIG. 6 is a diagram for explaining an example of the arrangement of photoelectric conversion cells of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
図6に示すように、第2の実施形態の固体撮像装置においては、基板S上に、入射された光を強度に応じて光電変換する機能を有する光電変換セルCが配列され、行列を形成している。また、同一列に含まれ且つ隣接する3つの光電変換セルCによって列グループCGが形成されていると共に、同一行に含まれ且つ隣接する2つの光電変換セルCによって、行グループRGが形成されている。 As shown in FIG. 6, in the solid-state imaging device of the second embodiment, photoelectric conversion cells C having a function of photoelectrically converting incident light according to intensity are arranged on a substrate S to form a matrix. is doing. A column group CG is formed by three photoelectric conversion cells C included in the same column and adjacent to each other, and a row group RG is formed by two photoelectric conversion cells C included in the same row and adjacent to each other. Yes.
次に、図7は、第2の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成を示している。図7には、3行2列、言い換えると、3つの行グループRG1、RG2及びRG3属する6つの光電変換セルを拡大して示している。また、これら6つの光電変換セルは、列グループは図示はしていないが、2つの列グループに属することにもなる。 Next, FIG. 7 shows a circuit configuration of an imaging region in the solid-state imaging device according to the second embodiment. In FIG. 7, six photoelectric conversion cells belonging to three rows and two columns, in other words, three row groups RG1, RG2, and RG3 are enlarged. Further, these six photoelectric conversion cells belong to two column groups although the column groups are not shown.
図7に示す第2の実施形態に係る固体撮像装置における撮像領域の回路構成は、同一の行グループに含まれる複数の光電変換セルによって回路構成の一部が共有されている点において図2に示した第1の実施形態の場合の回路構成と異なっている。これについて、以下に、具体的に説明する。 The circuit configuration of the imaging region in the solid-state imaging device according to the second embodiment shown in FIG. 7 is the same as that shown in FIG. 2 in that a part of the circuit configuration is shared by a plurality of photoelectric conversion cells included in the same row group. This is different from the circuit configuration in the case of the first embodiment shown. This will be specifically described below.
行グループRG1は、同一列に含まれ且つ隣接する2つの光電変換セルからなる行グループである。ここで、行グループRG1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換セルC1と同様に、光電変換部101aと、転送トランジスタ121aと、FD部111と、リセットトランジスタ122と、画素アンプトランジスタ123と、スイッチングトランジスタ124とを備えている。更に、行グループRG1において、読み出しパルス線131a、信号線132a、リセットパルス線135、選択パルス線136及びセル電源線vdd がそれぞれ所定の位置に接続され、信号線132aにはロードトランジスタ125aが接続されている。これらの構成は、第1の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換セルC1と同様であるため、詳しい説明は省略する。
The row group RG1 is a row group including two photoelectric conversion cells included in the same column and adjacent to each other. Here, similarly to the photoelectric conversion cell C1 of the solid-state imaging device according to the first embodiment, the row group RG1 includes the
以上の構成に加え、行グループRG1は、光電変換部101bと転送トランジスタ121bとを備え且つ読み出しパルス線131bが接続されている。ここで、光電変換部101bは、光電変換部101aと同様に陽極が接地され且つ陰極が転送トランジスタ121bのソースに接続されている。また、転送トランジスタ121bは、ソースが光電変換部101bの陰極に接続され、ドレインがFD部111、リセットトランジスタ122のソース及び画素アンプトランジスタ123のゲートに接続され且つゲートが読み出しパルス線131aに接続されている。
In addition to the above configuration, the row group RG1 includes a
以上のように、行グループRG1に含まれる2つの光電変換セルは、FD部111、リセットトランジスタ122、画素アンプトランジスタ123、スイッチングトランジスタ124、信号線123a、リセットパルス線135及びスイッチングパルス線136を共有している。
As described above, the two photoelectric conversion cells included in the row group RG1 share the
次に、行グループRG2は、行グループRG1と同様の構成を有している。つまり、第1の実施形態に係る光電変換セルC2と同様の構成(図2と同じ符号を付けることによって説明を省略する)に加え、行グループRG2は、光電変換部201bと転送トランジスタ221bとを備え且つ読み出しパルス線131bが接続されている。これらは、行グループRG1と同様の構成であるため、詳しい説明は省略する。
Next, the row group RG2 has the same configuration as the row group RG1. That is, in addition to the same configuration as the photoelectric conversion cell C2 according to the first embodiment (the description is omitted by attaching the same reference numerals as in FIG. 2), the row group RG2 includes the
また、行グループRG3についても、行グループRG1と同様の構成を有している。つまり、第1の実施形態に係る光電変換セルC3と同様の構成(図2と同じ符号を付けることによって説明を省略する)に加え、行グループRG3は、光電変換部301bと転送トランジスタ321bとを備え且つ読み出しパルス線131cが接続されている。これらは、行グループRG1と同様の構成であるため、詳しい説明は省略する。
The row group RG3 has the same configuration as the row group RG1. That is, in addition to the same configuration as the photoelectric conversion cell C3 according to the first embodiment (the description is omitted by attaching the same reference numerals as in FIG. 2), the row group RG3 includes the
以上の構成において、光電変換部101a、201a及び301aをそれぞれ有する3つの光電変換セルは同一の列グループに含まれ、また、光電変換部101b、201b及び301bをそれぞれ有する3つの光電変換セルとは同一の列グループに含まれている。
In the above configuration, the three photoelectric conversion cells each including the
以上のようにすることにより、第2の実施形態の固体撮像装置に係る撮像領域の回路構成において、同一の列グループに含まれる3つの光電変換セルがそれぞれ有する転送トランジスタ121a、221a及び321aは、いずれもゲートが共通の読み出しパルス線131aに接続され且つ読み出しパルス線131aによって一括して制御されている。同様に、先とは別の同一の列グループに含まれる3つの光電変換セルがそれぞれ有する転送トランジスタ121b、221b及び321bについても、いずれもゲートが共通の読み出しパルス線131bに接続され且つ読み出しパルス線131bによって一括して制御されている。
As described above, in the circuit configuration of the imaging region according to the solid-state imaging device of the second embodiment, the
また、スイッチングトランジスタ124、224及び324は、ソースが順に信号線132a、132b及び132cに接続され、3つの行グループRG1、RG2及びRG3がそれぞれ個別に信号を出力できるようになっている。
The switching
このようにして、第1の実施形態の場合と同様に3行同時に信号を読み出すことができ、従来の固体撮像装置に比べて高速で信号を読み出すことができる。 In this way, signals can be read out simultaneously in three rows as in the case of the first embodiment, and signals can be read out at a higher speed than conventional solid-state imaging devices.
これと共に、同じ行グループに含まれる複数の光電変換セルによって一部構成要素を共有することにより、トランジスタ及び配線等の構成要素の数を削減することができ、光電変換セルにおける光電変換部の占める割合(開口率)を上昇させることができる。具体的には、本実施形態においてはFD部、リセットトランジスタ、画素アンプトランジスタ、スイッチングトランジスタ、リセットパルス線及び選択パルス線等を1つの行グループにおいて共有している。このことにより、例えば光電変換セルの面積が4.1μm×4.1μmである場合において、0.35μmルールで設計を行なうとすると、本実施形態の固体撮像装置の回路構成においては光電変換部の開口率は約25%ととなる。第1の実施形態の固体撮像装置の場合には開口率は5%程度であったから、これに比べて20%程度向上している。 At the same time, by sharing some components among a plurality of photoelectric conversion cells included in the same row group, the number of components such as transistors and wirings can be reduced, and the photoelectric conversion units in the photoelectric conversion cells occupy. The ratio (opening ratio) can be increased. Specifically, in this embodiment, the FD portion, the reset transistor, the pixel amplifier transistor, the switching transistor, the reset pulse line, the selection pulse line, and the like are shared in one row group. Accordingly, for example, when the area of the photoelectric conversion cell is 4.1 μm × 4.1 μm and the design is performed with the rule of 0.35 μm, in the circuit configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment, the photoelectric conversion unit The aperture ratio is about 25%. In the case of the solid-state imaging device according to the first embodiment, the aperture ratio is about 5%, which is improved by about 20%.
尚、光電変換セルに電位を供給するセル電源線vdd が、FD部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての役割を果たす構造とすると、更なる光電変換セルの縮小及び開口率の向上を実現できる。このため、開口率は例えば28%に向上する。このようにするには、信号線132a等とは異なる面内であり且つFD部を覆うような位置にセル電源線vdd を配置すれば良い。
If the cell power supply line vdd for supplying a potential to the photoelectric conversion cell serves as a light-shielding film that prevents light from entering the FD portion, the photoelectric conversion cell can be further reduced and the aperture ratio can be reduced. Improvements can be realized. For this reason, the aperture ratio is improved to 28%, for example. In order to do this, the cell power supply line vdd may be disposed at a position in a plane different from the
次に、図8は、図7に示した回路構成を具体的に実現するレイアウトの一例を示している。ここで、図8におけるそれぞれの構成要素には、図7に示した回路構成の構成要素と対応する同じ符号を付して示している。但し、ロードトランジスタ125a、125b及び125cと、ロードゲート線133と、ソース電源線134と、リセットパルス線135、235及び335と、選択パルス線136、236及び336とについては省略している。
Next, FIG. 8 shows an example of a layout that specifically realizes the circuit configuration shown in FIG. Here, each component in FIG. 8 is denoted by the same reference numeral corresponding to the component of the circuit configuration shown in FIG. However, the
このようなレイアウトとすると、光電変換部のピッチを水平方向及び垂直方向において等間隔にすることができる。これによって、高画質の画像を得ることが容易になる。但し、このようなレイアウトに限るものではない。 With such a layout, the pitches of the photoelectric conversion units can be equally spaced in the horizontal direction and the vertical direction. This facilitates obtaining a high-quality image. However, the layout is not limited to this.
次に、第2の実施形態に係る固体撮像装置の動作について、図面を参照して説明する。 Next, the operation of the solid-state imaging device according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
図9は、スイッチングトランジスタ、リセットトランジスタ、奇数列の転送トランジスタ及び偶数列の転送トランジスタにおける電位変化と、光電変換セルから出力される出力信号の変化を示すタイミングチャートである。 FIG. 9 is a timing chart showing potential changes in a switching transistor, a reset transistor, an odd-numbered transfer transistor, and an even-numbered transfer transistor and changes in an output signal output from the photoelectric conversion cell.
ここで、一連の動作は、水平ブランキング期間内に完結する。また、本実施形態においては、同じ列に含まれ且つ隣接する3つの光電変換セルを1つの列グループとすると共に、列グループ毎に信号の読み出しを行なっているから、3行同時に読み出しを行なうことになる。更に、本実施形態では、奇数列の光電変換セルと偶数列の光電変換セルとを交互に読み出すようになっている。 Here, a series of operations are completed within the horizontal blanking period. In this embodiment, three photoelectric conversion cells included in the same column and adjacent to each other are made one column group, and signals are read for each column group, so that three rows are read simultaneously. become. Further, in the present embodiment, the odd-numbered photoelectric conversion cells and the even-numbered photoelectric conversion cells are alternately read.
以上から、ある水平ブランキング期間において第1行から第3行に含まれ且つ奇数列に含まれる光電変換セルについて出力信号の検出を行ない、次の水平ブランキング期間内において第1行から第3行に含まれ且つ偶数列に含まれる光電変換セルについて出力信号の検出を行なう。第4行目以降においても同様に、3行ずつ同時に、奇数列と偶数列との光電変換セルについて交互に出力信号の検出を行なう。 From the above, the output signal is detected for the photoelectric conversion cells included in the first to third rows and included in the odd-numbered columns in a certain horizontal blanking period, and the first to third in the next horizontal blanking period. Output signals are detected for photoelectric conversion cells included in rows and in even columns. Similarly, in the fourth and subsequent rows, output signals are detected alternately for the odd-numbered and even-numbered photoelectric conversion cells in three rows at a time.
ここで、奇数列の光電変換セルについて検出を行なう水平ブランキング期間を水平ブランキング1、偶数列の光電変換セルについて検出を行なう水平ブランキング期間を水平ブランキング2と呼ぶことにし、図9は、水平ブランキング1及び水平ブランキング2を一度ずつ行なう期間についてタイミングを示している。
Here, the horizontal blanking period in which detection is performed for the odd-numbered photoelectric conversion cells is referred to as
また、図7に示した回路構成において、行グループCG1、CG2及びCG2は、順に光電変換セルからなる行列の第1行、第2行及び第3行に含まれるものとする。また、光電変換部101a、201a及び301aを含む光電変換セルは奇数列に、光電変換部101b、201b及び301bを含む光電変換セルは偶数列に含まれるものとする。
Further, in the circuit configuration illustrated in FIG. 7, the row groups CG1, CG2, and CG2 are included in the first row, the second row, and the third row of the matrix composed of photoelectric conversion cells in order. In addition, the photoelectric conversion cells including the
まず、第1行から第3行までに含まれ且つ奇数列に含まれる光電変換部(ここでは光電変換部101a、201a及び301a)の電荷を検出する動作(水平ブランキング1に相当する)について説明する。
First, an operation (corresponding to horizontal blanking 1) of detecting charges of photoelectric conversion units (here,
水平ブランキング1において、まず、第1行から第3行に含まれ且つ奇数列に含まれる光電変換部(ここでは光電変換部101a、201a及び301a)の電荷を転送するため、ロードトランジスタ125a、125b及び125cに所定の一定電荷を印加しておく。また、水平ブランキング1の間を通じて、転送トランジスタ121b、221b及び321bはオフ状態としておく。また、セル電源線vdd には、本実施形態では3.3Vの一定電圧が印加されている。
In the
このようにすると、水平ブランキング1は、図2に示した第1の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成における電荷の検出と同様に行うことができる。
In this way, the
つまり、前記の状態において、スイッチングトランジスタ124、224及び324をオン状態とし(時刻T21)、更にリセットトランジスタ122、222及び322をオン状態とする(時刻T22)。これによって、FD部111、211及び311をそれぞれリセットされる。また、FD部111、211及び311のリセット時の信号レベルがそれぞれ信号線132a、132b及び132cを通じて出力され、ノイズキャンセル回路においてそれぞれ参照レベルとしてクランプされる。
That is, in the state, the switching
次に、リセットトランジスタ122、222及び322をオフ状態にした後、3つの光電変換セルC1、C2及びC3に共通する読み出しパルス線131aにパルス電圧を供給し、3つの転送トランジスタ121a、221a及び321aを全てオン状態とする(時刻T23)。これによって光電変換部101a、201a及び301aに蓄積されている電荷をそれぞれFD部111、211及び311に転送する。また、FD部111、211及び311の電荷を検出して、ノイズキャンセル回路において蓄積信号レベルとしてサンプリングする。このようにして、第1の実施形態と同様に光電変換部101a、201a及び301aからの出力信号をそれぞれ個別に検出することができる。
Next, after the
次に、スイッチングトランジスタ124、224及び324をオフ状態にする(時刻T24)ことにより、それぞれ画素アンプトランジスタ123、223及び323が信号を出力しない状態とする。
Next, the switching
以上により、第1行から第3行に含まれ且つ奇数列に含まれる光電変換部の電荷を検出する作業(水平ブランキング1)は終了する。 Thus, the operation (horizontal blanking 1) for detecting the charges of the photoelectric conversion units included in the first to third rows and included in the odd-numbered columns is completed.
次に、第1行から第3行に含まれ且つ偶数列に含まれる光電変換部(ここでは光電変換部101b、201b及び301b)の電荷を検出する作業(水平ブランキング2に相当する)について説明する。
Next, an operation (corresponding to horizontal blanking 2) of detecting charges of photoelectric conversion units (here,
光電変換部101b、201b及び301bの電荷を検出するため、水平ブランキング1と同様に、ロードトランジスタ125a、125b及び125cには所定の一定電荷を印加しておく。また、水平ブランキング1の間を通じて、転送トランジスタ121a、221a及び321aはオフ状態としておく。
In order to detect the charges of the
この状態で、水平ブランキング1の際と同様にスイッチングトランジスタ124、224及び324をオン状態とし(時刻T25)、更にリセットトランジスタ122、222及び322をオン状態とする(時刻T26)ことにより、FD部111の電荷を掃き出してリセットする。これと共に、水平ブランキング1の際と同様にFD部111、211及び311のリセット時の信号レベルがそれぞれ出力され、ノイズキャンセル回路において参照レベルとしてクランプされる。
In this state, the switching
次に、リセットトランジスタ122、222及び322をオフにした後、水平ブランキング1の際とは異なり且つ3つの行グループRG1、RG2及びRG3に共通する読み出しパルス線131bにパルス電圧を供給し、水平ブランキング1の際とは異なる3つの転送トランジスタ121b、221b及び321bをオン状態とする(時刻T27)。これにより、水平ブランキング1の際とは異なる光電変換部101b、201b及び301aに蓄積されている電荷を、水平ブランキング1の際と同じFD部111、211及び311にそれぞれ転送する。また、FD部111、211及び311の電荷を検出して、ノイズキャンセル回路において蓄積信号レベルとしてサンプリングする。このようにして、第1の実施形態と同様に光電変換部101b、201b及び301bからの出力信号をそれぞれ個別に検出することができる。
Next, after turning off the
次に、スイッチングトランジスタ124、224及び324をオフ状態にする(時刻T28)ことにより、画素アンプトランジスタ123、223及び323が信号を出力しない状態とする。
Next, the switching
以上により、第1行から第3行に含まれ且つ偶数列に含まれる光電変換部の電荷を検出する動作(水平ブランキング2)は終了する。 Thus, the operation (horizontal blanking 2) for detecting the charges of the photoelectric conversion units included in the first to third rows and included in the even-numbered columns ends.
この後、次に第1行から第3行までが選択されるまでの間、第1行から第3行までに含まれる光電変換部は非選択状態となり、動作しない。 Thereafter, until the next row from the first row to the third row is selected, the photoelectric conversion units included in the first row to the third row are in a non-selected state and do not operate.
また、該3行以降についても、該3行と同様に3行ずつ同時に且つ奇数列と偶数列とを交互に出力信号が検出される。 In addition, for the three and subsequent rows, the output signals are detected at the same time for every three rows and alternately between the odd and even columns in the same manner as the three rows.
以上のように、第2の実施形態の固体撮像装置においては、同じ列に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セル(列グループ)について同時に信号を検出することにより、同時に複数行の信号読み出しを可能とし、全光電変換セルからの信号読み出しを高速化している。また、同じ行に含まれ且つ隣接する複数の光電変換セル(行グループ)によって構成要素の一部を共有することにより、構成要素の数を削減して光電変換部の開口率を向上している。この結果、奇数列と偶数列とを交互に読み出し且つ3行同時に読み出すことから、本実施形態の固体撮像装置は、光電変換セル1つずつ信号を読み出し且つ構成要素の共有をしていない従来の固体撮像装置と比較すると、1.5倍の速度で全光電変換セルからの信号読み出しを行うことができる。 As described above, in the solid-state imaging device according to the second embodiment, by simultaneously detecting signals for a plurality of photoelectric conversion cells (column groups) included in the same column and adjacent to each other, a plurality of rows of signals can be read simultaneously. This makes it possible to speed up signal readout from all photoelectric conversion cells. Further, by sharing a part of the constituent elements among a plurality of adjacent photoelectric conversion cells (row groups) included in the same row, the number of constituent elements is reduced and the aperture ratio of the photoelectric conversion unit is improved. . As a result, the odd-numbered columns and the even-numbered columns are alternately read out and three rows are read out at the same time. Therefore, the solid-state imaging device of the present embodiment reads the signals one by one for the photoelectric conversion cells and does not share the components. Compared with a solid-state imaging device, signals can be read from all photoelectric conversion cells at a speed 1.5 times higher.
尚、第2の実施形態においては、光電変換セルはそれぞれスイッチングトランジスタを備えており、これによって出力信号を出力するタイミングを制御するようになっている。しかし、第1の実施形態の変形例と同様に、スイッチングトランジスタを用いない回路構成とすると共に、セル電源線vdd の電圧の制御とリセットトランジスタを利用して、信号を出力するタイミングを制御してもよい。 In the second embodiment, each photoelectric conversion cell includes a switching transistor, which controls the timing of outputting an output signal. However, as in the modification of the first embodiment, the circuit configuration does not use a switching transistor, and the voltage of the cell power supply line vdd is controlled and the timing of signal output is controlled using the reset transistor. Also good.
また、本実施形態の固体撮像装置においては、1つの列グループには3つの光電変換セルが含まれており、これによって3行ずつ同時に出力信号の読み出しを行ないようになっている。しかし、1つの列グループに含まれる光電変換セルの数は3つには限られず、2つ以上であれば良い。ここで、信号線は、同時に読み出す行の数と同数必要になる。 Further, in the solid-state imaging device of the present embodiment, one column group includes three photoelectric conversion cells, so that output signals are read simultaneously for every three rows. However, the number of photoelectric conversion cells included in one column group is not limited to three, and may be two or more. Here, the same number of signal lines as the number of rows to be read simultaneously are required.
本発明の固体撮像装置は、複数行同時に信号読みだしを行なうことを可能としており、高速に全光電変換セルからの信号を読み出すことのできる固体撮像装置として有用である。 The solid-state imaging device of the present invention can read signals simultaneously in a plurality of rows, and is useful as a solid-state imaging device that can read signals from all photoelectric conversion cells at high speed.
101a、101b、201a、201b、301a、301b 光電変換部
111、211、311 フローティングディフュージョン部
121a、121b、221a、221b、321a、321b 転送トランジスタ
122、222、322 リセットトランジスタ
123、223、323 画素アンプトランジスタ
124、224、324 スイッチングトランジスタ
125a、125b、125c ロードトランジスタ
131a、131b 読み出しパルス線
132a、132b、132c 信号線
133 ロードゲート線
134 ソース電源線
135、235、335 リセットパルス線
136、236、336 選択パルス線
C、C1、C2、C3 光電変換セル
CG 列グループ
RG、RG1、RG2、RG3 行グループ
S 基板
101a, 101b, 201a, 201b, 301a, 301b
Claims (10)
前記複数の光電変換セルのうち、同一の列に含まれ且つ隣り合う行に配列されている一組の前記光電変換セル毎に複数の列グループが構成されており、
前記複数の光電変換部に接続され且つ前記複数の光電変換部から電荷が転送される複数のフローティングディフュージョン部と、
前記複数の光電変換部と前記複数のフローティングディフュージョン部との間に設けられ且つ前記複数の光電変換部から前記複数のフローティングディフュージョン部に電荷を転送する複数の転送トランジスタと、
前記複数の列グループ中の前記複数の転送トランジスタを共通して制御する複数の読み出しパルス線と、
前記複数のフローティングディフュージョン部の電位を検出し、信号として出力する複数の画素アンプトランジスタと、
前記複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するための複数の信号線とを備えていることを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion cells arranged to form a matrix and each having a photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion,
Among the plurality of photoelectric conversion cells, a plurality of column groups are configured for each set of the photoelectric conversion cells included in the same column and arranged in adjacent rows,
A plurality of floating diffusion units connected to the plurality of photoelectric conversion units and to which charges are transferred from the plurality of photoelectric conversion units;
A plurality of transfer transistors provided between the plurality of photoelectric conversion units and the plurality of floating diffusion units and transferring charges from the plurality of photoelectric conversion units to the plurality of floating diffusion units;
A plurality of read pulse lines for commonly controlling the plurality of transfer transistors in the plurality of column groups;
A plurality of pixel amplifier transistors for detecting potentials of the plurality of floating diffusion portions and outputting the signals as signals;
A solid-state imaging device comprising: a plurality of signal lines for the plurality of pixel amplifier transistors to output signals.
前記複数のフローティングディフュージョン部は、前記各行グループに含まれる前記各光電変換部から電荷が転送される共通のフローティングディフュージョン部であり、
前記複数の読み出しパルス線は、前記各行グループに含まれる複数の前記転送トランジスタに対して個別に形成されている複数の読み出しパルス線であることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 Among the plurality of photoelectric conversion cells, a plurality of row groups are formed for each of the plurality of photoelectric conversion cells included in and adjacent to the same row,
The plurality of floating diffusion portions are common floating diffusion portions to which charges are transferred from the photoelectric conversion units included in the row groups,
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the plurality of readout pulse lines are a plurality of readout pulse lines formed individually for the plurality of transfer transistors included in each row group.
前記複数の画素アンプトランジスタが信号を出力するタイミングを制御する複数のスイッチングトランジスタと、
前記複数のスイッチングトランジスタを制御する複数の選択パルス線とを更に備えていることを特徴とする請求項2又は3に記載の固体撮像装置。 Formed in common for each row group,
A plurality of switching transistors for controlling the timing at which the plurality of pixel amplifier transistors output signals;
The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising a plurality of selection pulse lines that control the plurality of switching transistors.
前記複数の電源線は前記フローティングディフュージョン部に対して光が入射するのを防ぐ遮光膜としての機能を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の固体撮像装置。 A plurality of power supply lines for supplying a potential to the plurality of photoelectric conversion cells;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the plurality of power supply lines have a function as a light-shielding film that prevents light from entering the floating diffusion portion.
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