JP2006073887A - 固体撮像素子及びそれを用いたカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に対するセンサ出力の変化が大きい温度センサを有する固体撮像素子を提供する。また、素子外部に構成されていた定電流源を必要としない温度センサを有する固体撮像素子を提供する。
【解決手段】入射光を光電変換する受光部と、受光部から得られる信号電荷を処理して出力信号を生成するための処理回路部と、ダイオード部４を含んで構成された温度センサとを備える。ダイオード部は、直列接続された複数のダイオードを含み、各ダイオードは、ゲートとドレイン間が接続された絶縁ゲート電界効果トランジスタ５で構成される。温度センサは、複数のダイオードに定電流を流すことにより、複数のダイオードの温度に応じて変化する電圧を生成する回路により構成される。また、定電流源６を固体撮像素子内に備え、定電流源は絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、温度センサを内蔵した固体撮像素子に関し、特に内蔵された温度センサの特性の改良に関する。

固体撮像素子は、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）型固体撮像素子を例にとると、光を信号電荷に変換する光電変換部、信号電荷を転送する垂直及び水平電荷転送部、信号電荷を電圧信号に変換し増幅して出力する出力アンプ、バイアス発生回路などの内蔵回路から構成される。

近年は画素数の増大により出力信号のデータレートが高くなっており、電荷転送部に供給される電荷転送パルスの周波数が高くなっている。また、出力アンプ部も高い周波数帯域が要求されるようになっているため、固体撮像素子の消費電力が増大している。消費電力の増大は、特に高速駆動を行う水平電荷転送部と出力アンプ部において顕著であり、主にこれらの部分において発熱が生じ、固体撮像素子の温度上昇が起こる。また、民生用カメラであるデジタルカメラ、あるいはカメラ付き携帯電話では、カメラの小型化が要求されているため、固体撮像素子外部の回路による発熱が固体撮像素子の温度上昇に与える影響も大きくなっている。

以上のような原因で起こる固体撮像素子内の温度上昇は、暗時出力が固体撮像素子の面内で不均一に生じる暗時シェーディング等の画質の劣化を引き起こす。そこで、温度上昇による画質の劣化を補正するために、固体撮像素子内部の温度測定用に温度センサを内蔵することが求められている。

固体撮像素子に内蔵される従来の温度センサの回路図を、図１に示す。図１において、１はｐｎ接合ダイオード、２は素子外部に設けられた定電流源である。ｐｎ接合ダイオード１と固体撮像素子外部に設けられた定電流源２を接続し、ｐｎ接合ダイオード１に定電流を流す。この状態において、ｐｎ接合の順方向電圧が温度依存性を示すため、出力電圧Ｖｏｕｔを検出することにより、温度変化を測定することができる。（特許文献１参照）
特開平２−４４８７２号公報

しかしながら、上記従来の構成の温度センサでは、ｐｎ接合ダイオード１が１個であり、温度に対するセンサ出力の変化が小さいという第１の欠点を有する。また、温度補償された定電流源２（温度によって電流値の変化がない）を素子外部に構成するため、部品点数が増えるという第２の欠点を有する。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、温度変化に対するセンサ出力の変化が大きい温度センサを有する固体撮像素子を提供することを目的とする。

また、本発明は、素子外部に構成されていた定電流源を必要としない温度センサを有する固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明の固体撮像素子は、入射光を光電変換する受光部と、前記受光部から得られる信号電荷を処理して出力信号を生成するための処理回路部と、ダイオード部を含んで構成された温度センサとを備え、前記ダイオード部は、直列接続された複数のダイオードを含み、前記温度センサは、前記複数のダイオードに定電流を流すことにより、前記複数のダイオードの温度に応じて変化する電圧を生成する回路により構成されたことを特徴とする。

上記構成によれば、温度変化によるダイオードの電圧変化を複数加算した状態で出力できるため、温度変化に対して十分に大きな検出出力を得ることができる。

本発明の固体撮像素子において、前記複数のダイオードのそれぞれは、ゲートとドレイン間が接続された絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成することができる。

好ましくは、定電流源を前記固体撮像素子内に備え、前記定電流源は絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成される。定電流源を素子内部に設けることにより、素子外部に構成されていた定電流源を不要にして、部品点数を削減できる。

前記複数のダイオードを構成する絶縁ゲート電界効果トランジスタのトランジスタ利得係数は、前記定電流源を構成する絶縁ゲート電界効果トランジスタのトランジスタ利得係数よりも大きいことが好ましい。

前記温度センサ回路が前記固体撮像素子内に複数設けられた構成とすることができる。

以上のいずれかの構成を有する固体撮像素子を備え、前記温度センサ回路により測定された、温度に応じて変化する電圧、あるいは当該電圧と電荷蓄積時間との両方を用いて、暗時出力の変動を補正することが好ましい。それにより、暗時シェーディング等の画質の劣化を適切に補正することが可能である。

以下、本発明の実施の形態における固体撮像素子について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１における固体撮像素子に内蔵される温度センサの回路図である。図２において、３はダイオード部であり、複数個（図では４個）のｐｎ接合ダイオード１を直列に接続して構成されている。ダイオード部３に直列に、固体撮像素子外部に設けられた定電流源２が接続されている。

この温度センサは、従来例と同様にｐｎ接合ダイオード１の順方向電圧の温度依存性を利用して、温度変化を出力電圧Ｖｏｕｔの変化として取り出す。但し、ｐｎ接合ダイオード１が直列に複数個接続されているので、１つのｐｎ接合ダイオード１の温度変化による微小な電圧変動成分を加算することができ、出力電圧Ｖｏｕｔとして大きな出力を取り出すことができる。

以上のように、本実施の形態によれば、ダイオードを直列に複数接続することにより、温度による電圧変動成分を大きな電圧出力として検出し、安定した温度測定が可能な温度センサを有する固体撮像素子を構成することができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２における固体撮像素子に内蔵される温度センサの回路図である。この温度センサは、実施の形態１におけるダイオード部３に相当するダイオード部４が、複数個（図では４個）の絶縁ゲート電界効果トランジスタ（以下ＭＩＳＦＥＴと称す）５で構成されたものである。

ダイオード部４を構成するＭＩＳＦＥＴ５は、ゲートとドレインを接続してダイオードとして機能するように構成されている。この温度センサは、ＭＩＳＦＥＴ５のチャネルの移動度の温度依存性を利用して、温度変化を出力電圧Ｖｏｕｔの変化として取り出すことができる。この温度センサの出力式は、次式で表される。

Ｖｏｕｔ＝ＶＤＤ−４×（２×Ｉ×Ｌ／μ／Ｃｏｘ／Ｗ）^1/2
−（Ｖｔ１＋Ｖｔ２＋Ｖｔ３＋Ｖｔ４） （式１）
ここで、Ｖｏｕｔは温度センサの出力電圧、ＶＤＤは温度センサの電源電圧、Ｉは電流値、ＬはＭＩＳＦＥＴ５の実効チャネル長、μはチャネルの移動度、Ｃｏｘは単位面積当りのゲート容量、ＷはＭＩＳＦＥＴ５のゲート幅である。Ｖｔ１〜Ｖｔ４はそれぞれ、各々のＭＩＳＦＥＴ５（Ｍ１〜Ｍ４）のしきい値電圧である。（式１）では、簡単のためＭＩＳＦＥＴ５（Ｍ１〜Ｍ４）のＬとＷは等しいものとした。

ＭＩＳＦＥＴ５で構成されるダイオード部４のチャネルの移動度は、絶対温度の−３／２乗に依存するため、温度が上昇すると小さくなり、（式１）における右辺の第２項は大きくなる。一方、ＭＩＳＦＥＴ５（Ｍ１〜Ｍ４）のしきい値電圧（Ｖｔ１〜Ｖｔ４）は、温度が上昇すると小さくなるため、（式１）の右辺の第３項は小さくなる。従って、第２項の温度に対する変動を第３項が打ち消す方向に作用する。

本実施の形態では、第２項の温度変動が第３項の温度変動に対して大きくなるように、電流値Ｉ、実効チャネル長Ｌ、ゲート幅Ｗ等を設定する。結果として、温度が上昇すると、温度センサの出力電圧は低下する。図４は、本実施の形態における温度センサの温度と出力電圧の関係を示す。この図４において、横軸は絶対温度、縦軸は温度センサの出力電圧である。

ダイオード部４が１個のＭＩＳＦＥＴ５（Ｍ１）のみで構成された場合には、（式１）は以下のようになる。

Ｖｏｕｔ＝ＶＤＤ−（２×Ｉ×Ｌ／μ／Ｃｏｘ／Ｗ）^1/2−Ｖｔ１ （式２）
（式２）の第２項の温度による変動の絶対値をΔＶμ、第３項の温度による変動の絶対値をΔＶｔとすると、出力の温度変動ΔＶｏは、ΔＶｏ＝−ΔＶμ−（−ΔＶｔ）＝−ΔＶμ＋ΔＶｔとなる。前に述べたように、本実施の形態では、ΔＶｔ＜ΔＶμになるよう設定する。ＭＩＳＦＥＴ５で構成されたダイオードが４個設けられている場合は、式（１）と式（２）を比較すると分かるように、ＭＩＳＦＥＴ５で構成されたダイオードが１個の場合における出力の温度変動（−ΔＶμ＋ΔＶｔ）が４倍された値となるため、温度による出力電圧Ｖｏｕｔの変動を大きくすることができる。

以上のように、実施の形態２によれば、ＭＩＳＦＥＴで構成されたダイオードを直列に複数接続し、定電流源を素子の外部に設けることで、ＭＩＳＦＥＴのチャネルの移動度の温度依存性を利用して温度による電圧変動成分を十分に大きな電圧出力として検出し、安定した温度測定が可能な温度センサを有する固体撮像素子を構成することができる。

（実施の形態３）
図５は、実施の形態３における固体撮像素子に内蔵される温度センサの回路図である。
図５において、ダイオード部４は、実施の形態２と同様、ＭＩＳＦＥＴ５で構成されている。ダイオード部４には、ＭＩＳＦＥＴで構成された定電流源６が接続されている。定電流源６を構成するＭＩＳＦＥＴのゲートには、抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる抵抗分割回路により、電源電圧ＶＤＤを分圧したゲート電圧ＶＬＧが供給される。

本実施の形態は、実施の形態２と比べると、定電流源６を素子内部に設け、更に定電流源６をＭＩＳＦＥＴで構成することを特徴としている。実施の形態１及び２においては、温度変化に対する検出出力の変化を大きくできるものの、定電流源を素子外部に設けるため、部品点数が増えるという欠点を有する。更に、実施の形態では、チャネルの移動度が温度によって変動し、その温度依存性が絶対温度の−３／２乗で変動するため、出力電圧の温度依存性が線形でなく、簡単に出力電圧から温度を算出できないという不都合を有する。

しかしながら、温度補償された定電流源を素子内部に設けることは、定電流源をバイポーラトランジスタで構成する場合、温度による電流の変動を抑制するために、例えばベース−エミッタ間電圧を温度により調整するサーミスタを素子内部に設けなければならず、構成が困難である。また定電流源をＭＩＳＦＥＴで構成する場合には、移動度の低下に伴う電流値の低下が避けられないため、構成が困難である。

そこで本実施の形態においては、図５に示すようにＭＩＳＦＥＴ５で構成されたダイオード部４に対して、ＭＩＳＦＥＴで構成された定電流源６を素子内部に配置した構成とする。ＭＩＳＦＥＴで構成された定電流源６の電流は温度によって一定ではないが、移動度の温度依存性が定電流源６とダイオード部４で同一であるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電流値変動の影響を受けない。また、実施の形態２の欠点であったチャネルの移動度の温度依存性による出力電圧の非線形性をキャンセルすることができる。この温度センサの出力は次式で表される。

Ｖｏｕｔ＝ＶＤＤ−４×（β／β’）^1/2×ＶＬＧ
−（Ｖｔ１＋Ｖｔ２＋Ｖｔ３＋Ｖｔ４）
＋４×（β／β’）^1/2×Ｖｔ０ （式３）
ここで、Ｖｏｕｔは温度センサの出力電圧、ＶＤＤは温度センサの電源電圧、ＶＬＧは定電流源６を構成するＭＩＳＦＥＴのゲート電圧、β’はダイオード部４を構成するＭＩＳＦＥＴ５のトランジスタ利得係数、βは定電流源６を構成するＭＩＳＦＥＴのトランジスタ利得係数である。Ｖｔ１〜Ｖｔ４は、それぞれのＭＩＳＦＥＴ５（Ｍ１〜Ｍ４）のしきい値電圧、Ｖｔ０は定電流源６を構成するＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧である。簡単のため実施の形態１と同様に、ＭＩＳＦＥＴ５（Ｍ１〜Ｍ４）のβは同一としている。トランジスタ利得係数βは、一般的にμ×Ｃｏｘ×Ｗ／Ｌで表される。そのため、（式３）におけるβ／β’の中でチャネルの移動度μの項は打ち消され、チャネルの移動度の温度依存性による出力電圧の非線形性を改善することができる。従って、本実施の形態によれば、ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧の温度依存性のみを、温度センサの出力の変化として取り出すことができる。

図６は、本実施の形態における温度センサの、温度と出力電圧の関係を示す。この図６において、横軸は絶対温度、縦軸は温度センサの出力電圧である。温度が上昇すると、ＭＩＳＦＥＴで構成されたダイオード部４のしきい値電圧が下がるため、温度センサの出力電圧が高くなる。

本実施の形態においては、（式３）で表されるように、しきい値電圧Ｖｔ０の温度に対する変化がしきい値電圧Ｖｔ１〜Ｖｔ４の温度に対する変化を打ち消す方向に作用するため、β’はβよりも大きいことが望ましい。例として、図５に示した例のようにダイオード部４が４個のＭＩＳＦＥＴ５で構成されている場合、β’をβの１６倍に設定することにより、ＭＩＳＦＥＴで構成された定電流源６のしきい値電圧とダイオード部４を構成するＭＩＳＦＥＴ５の１個分のしきい値電圧とが互いに相殺され、ＭＩＳＦＥＴ５の３個分のしきい値電圧の変動を温度変化として検出することができる。

本実施の形態では、ゲート電圧ＶＬＧは、温度センサの電源電圧ＶＤＤを抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２により分圧して発生されるが、ゲート電圧ＶＬＧを素子外部から印加する構成でもよく、必要に応じてゲート電圧ＶＬＧを変更することもできる。

以上のように実施の形態３によれば、温度センサの出力変化が大きく、線形性が高く、素子外部に構成されていた定電流源を不要にし、部品点数を削減した温度センサを有する固体撮像素子を実現できる。

本発明の温度センサを有することにより、暗時出力（暗時シェーディングや白キズ）の補正を行うことができる。すなわち、暗時シェーディング等の画質の劣化を引き起こす暗時出力は、温度に依存し、またその主要因が光電変換部の暗時出力である場合、電荷の蓄積時間にも依存する。従って、本発明の温度センサにより測定された温度データを用い、あるいは更に電荷の蓄積時間のデータを併せて用いれば、暗時出力（暗時シェーディングや白キズ）の補正を効果的に行うことができる。

さらに、本発明の温度センサを一つの固体撮像素子内に複数個設けることにより、固体撮像素子内部の様々な位置での温度測定が可能となり、カメラシステムにおいて、この測定値を用いて画像信号を演算処理することで、暗時シェーディング等の画質の劣化を適切に補正することができる。

本発明の構成は、電荷結合素子（ＣＣＤ）型固体撮像素子、Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子で主流であるＭＯＳ型固体撮像素子などの全ての固体撮像素子において適用することができる。

本発明の固体撮像素子は、動作周波数が高く固体撮像素子の消費電力が大きいため素子温度の変化が大きいＨＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）ＴＶ用放送業務用カメラや、小さな容積内に実装されるため、固体撮像素子の発熱に加えて、周辺回路の発熱による影響を受けて素子温度が大きく変化するデジタルカメラ、あるいはカメラ付き携帯電話向けの固体撮像素子として有用である。

従来例の固体撮像素子に内蔵された温度センサの回路図 実施の形態１における固体撮像素子に内蔵された温度センサの構造を示す回路図 実施の形態２における固体撮像素子に内蔵された温度センサの構造を示す回路図 同温度センサの出力電圧の温度依存性を示す図 実施の形態３における固体撮像素子に内蔵された温度センサの構造を示す回路図 同温度センサの出力電圧の温度依存性を示す図

符号の説明

１ ｐｎ接合ダイオード
２ 素子外部に設けられた定電流源
３、４ ダイオード部
５（Ｍ１〜Ｍ４） ＭＩＳＦＥＴ
６（Ｍ５） ＭＩＳＦＥＴで構成された定電流源
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗

Claims (7)

1. 入射光を光電変換する受光部と、前記受光部から得られる信号電荷を処理して出力信号を生成するための処理回路部と、ダイオード部を含んで構成された温度センサとを備えた固体撮像素子において、
   前記ダイオード部は、直列接続された複数のダイオードを含み、
   前記温度センサは、前記複数のダイオードに定電流を流すことにより、前記複数のダイオードの温度に応じて変化する電圧を生成する回路により構成されたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記複数のダイオードのそれぞれは、ゲートとドレイン間が接続された絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成された請求項１記載の固体撮像素子。
3. 定電流源を前記固体撮像素子内に備え、前記定電流源は絶縁ゲート電界効果トランジスタで構成された請求項１または請求項２記載の固体撮像素子。
4. 前記複数のダイオードを構成する絶縁ゲート電界効果トランジスタのトランジスタ利得係数は、前記定電流源を構成する絶縁ゲート電界効果トランジスタのトランジスタ利得係数よりも大きい請求項３記載の固体撮像素子。
5. 前記温度センサ回路が前記固体撮像素子内に複数設けられた請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像素子を備えたカメラ。
7. 前記温度センサ回路により測定された、温度に応じて変化する電圧、あるいは当該電圧と電荷蓄積時間との両方を用いて、暗時出力の変動を補正する請求項６に記載のカメラ。

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