JP2006217338A - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高画質の画像を得ることができると共に、画素サイズを小型化できる増幅型固体撮像装置を提供する。
【解決手段】フォトダイオード１と転送トランジスタ２とを有する複数の光電変換転送部１０が所定数毎に分けられた光電変換転送部群の各転送トランジスタ２の出力側にスイッチトキャパシタアンプ部２０の入力側が接続され、スイッチトキャパシタアンプ部２０の出力側が垂直信号線９に接続される。上記スイッチトキャパシタアンプ部２０は、信号電荷蓄積部８と、信号電荷蓄積部８が入力側に接続された増幅トランジスタ３と、増幅トランジスタ３の入出力間に接続されたキャパシタ６およびリセットトランジスタ５とを有している。上記増幅トランジスタ３の出力側と垂直信号線９を介して接続された定電流負荷トランジスタ４と増幅トランジスタ３とで構成された反転増幅器の入力部の電位を垂直走査回路２５により制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、増幅型固体撮像装置に関し、ノイズの少ない増幅型固体撮像装置を小画素サイズで実現する手法に関する。

従来、増幅型固体撮像装置としては、増幅機能を持たせた画素部とその画素部の周辺に走査回路を有し、その走査回路により画素データを読み出す増幅型固体撮像装置が提案されている。特に、画素構成を周辺の駆動回路および信号処理回路と一体化するのに有利なＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型イメージセンサが知られている。

上記ＡＰＳ型イメージセンサは、通常１画素内に光電変換部と増幅部と画素選択部およびリセット部を形成する必要がある。このため、ＡＰＳ型イメージセンサには、通常フォトダイオードからなる光電変換部の他に、３〜４個のＭＯＳトランジスタが用いられる。

ところが、１画素当たり３〜４個のＭＯＳトランジスタが必要であれば、画素サイズの小型化の制約となるため、１画素当たりのトランジスタの数を低減する方法が提案されている(例えば、特開平９−４６５９６号公報(特許文献１)参照)。

図８は、上記１画素当たりのトランジスタの数を低減する増幅型固体撮像装置の要部の回路図を示しており、この増幅型固体撮像装置は、フォトダイオード１０１と、そのフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷を転送するための転送トランジスタ１０２と、リセットトランジスタ１３１と、増幅用トランジスタ１３２と、画素選択用トランジスタ１３３とによって構成されている。ここで、フォトダイオード１０１は埋め込み型とし、フォトダイオード１０１からの信号電荷転送を完全とすれば、極めて低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることが可能となることが知られている。

図８に示す増幅型固体撮像装置の動作を図９のタイミング図に示す。

図９に示すように、期間Ｔ１では、共通のリセットトランジスタ１３１のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がハイレベルとなってリセットトランジスタ１３１がオン状態となり、ゲート下のポテンシャル電位が上がるため、共通の信号電荷蓄積部１０８により共通のリセットトランジスタ１３１のドレイン側に電荷移動が起こり、信号電荷蓄積部１０８の電位が電源電位ＶＤＤにリセットされる。

次の期間Ｔ２では、共通のリセットトランジスタ１３１のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がローレベルとなってリセットトランジスタ１３１がオフ状態となるが、共通の画素選択用トランジスタ１３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルのままであり、画素選択用トランジスタ１３３がオン状態のため、リセットレベルが共通の増幅用トランジスタ１３２を介して信号線１３５に読み出される。このとき増幅用トランジスタ１３２と定電流負荷トランジスタ１３４とでソースフォロワ回路を形成している。

次の期間Ｔ３では、共通の画素選択用トランジスタ１３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がローレベルとなって画素選択用トランジスタ１３３がオフ状態となり、第(ｍ,1)行の転送トランジスタ１０２のゲートに印加される駆動パルスφT(m,1)がハイレベルとなってオン状態となり、ゲートのポテンシャルが上がるため、第(ｍ,1)行のフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部１０８に転送される。

次の期間Ｔ４では、第(ｍ,1)行の転送トランジスタ１０２のゲートに印加される駆動パルスφT(m,1)はローレベルとなって転送トランジスタ１０２がオフ状態となるが、共通の信号電荷蓄積部１０８では信号電荷転送時の電位が保持され、共通の画素選択用トランジスタ１３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルとなってオン状態のため、第(ｍ,1)行の信号レベルが共通の増幅用トランジスタ１３２を介して信号線１３５に読み出される。

そうして、１水平走査期間(１Ｈ)後、第(ｍ,2)行目の画素に対して、第(ｍ,2)行のフォトダイオード１０１からの信号電荷が、第(ｍ,2)行の転送トランジスタ１０２を介して、共通のリセットトランジスタ１３１、増幅用トランジスタ１３２、画素選択用トランジスタ１３３に導かれ、上記期間Ｔ１〜Ｔ４における同様の動作が行われる。

以上の構成および動作において、２画素あたり１個の共通部とすると、２.５トランジスタ／画素、４画素あたり１個の共通部とすると、１.７５トランジスタ／画素となる。すなわち、これらの例では１画素あたりのトランジスタの数を削減することができる。

しかしながら、上記従来の増幅型固体撮像装置では、構成および動作において次のような問題が生じる。すなわち、フォトダイオード１０１からの信号電荷△Ｑsigを電圧信号△Ｖsigに変換する電荷電圧変換効率ηは、共通の信号電荷蓄積部１０８の容量をＣFDとすると、
η＝Ｇ・△Ｖsig／△Ｑsig＝Ｇ／ＣFD
となる。ここで、Ｇは、増幅用トランジスタ１３２と定電流負荷トランジスタ１３４とで構成されるソースフォロワ回路のゲインであり、通常１より若干小さい値(０.８〜０.９)を示す。ηを大きくするにはＣFDを小さくする必要がある。上記信号電荷蓄積部１０８の容量ＣFDは、信号電荷蓄積部１０８に接続された転送トランジスタ１０２のドレイン側接合容量と増幅トランジスタ１３２のゲート容量および基板とのジャンクション容量の総和である。従って、共通の信号電荷蓄積部に接続されるフォトダイオードおよび転送トランジスタの数が多くなるほど、電荷電圧変換率ηは低下するという問題がある。
特開平９−４６５９６号公報

本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、高画質の画像を得ることができると共に、画素サイズを小型化できる増幅型固体撮像装置を提供するものである。

上記目的を達成するため、この発明の増幅型固体撮像装置は、
光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有すると共に、画素毎に設けられた複数の光電変換転送部と
を備え、
上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部は所定数毎に光電変換転送部群に分けられ、
上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、
上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部と
を備え、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続され、出力側が上記信号線に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたリセットトランジスタとを有し、
上記制御部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の入力部の電位を制御することを特徴とする。

上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、上記制御部によって、光電変換転送部群の夫々において、スイッチトキャパシタアンプ部により光電変換転送部群毎に転送トランジスタを介して光電変換素子から信号を読み出すように、転送トランジスタとスイッチトキャパシタアンプ部を制御する。上記光電変換素子から転送トランジスタを介して信号電荷蓄積部に電荷を転送するとき、制御部により反転増幅器の入力部の電位を制御して信号電荷蓄積部のポテンシャルを深くすることによって、信号電荷の転送を容易にする一方、スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出しを行わない期間、制御部により反転増幅器の入力部の電位を制御して信号電荷蓄積部のポテンシャルを浅くすることによって、反転増幅器が動作しないようにすることが可能となる。このように、上記光電変換転送部群の夫々の複数の画素に対して共通の増幅回路(信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部)を備えることにより、１画素当りのトランジスタ数を削減することが可能となる。また、上記増幅回路をスイッチトキャパシタ型とすることにより、信号電荷蓄積部の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換ゲインを高めることができる。したがって、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズの小型化ができる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部が、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出しを行わない期間、制御部によって上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することで、上記反転増幅器の入力側の電位を低くすることが可能となる。これにより反転増幅器が動作しないため、スイッチトキャパシタアンプ部から信号線に信号が出力されないので、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数を削減することが可能となり、さらに１画素当たりのトランジスタ数を削減して画素サイズの小型化ができる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、埋め込み型のフォトダイオードからの信号電荷転送を完全とすることによって、低ノイズ化されたより高画質の画像を得ることができる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、光電変換素子から転送トランジスタを介して信号電荷蓄積部に電荷を転送するとき、制御部によって、昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子電位を制御して反転増幅器の入力側の信号電荷蓄積部のポテンシャルを深くし、信号電荷の転送を容易にする。これにより、特に光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードの場合、フォトダイオードから信号電荷蓄積部への電荷転送を完全にすることが可能となり、読み出しノイズを大幅に低減することが可能となる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記反転増幅器を構成する上記電源側負荷が、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることが望ましい。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記転送トランジスタおよび上記リセットトランジスタはデプリージョンタイプのトランジスタであり、上記リセットトランジスタは上記転送トランジスタよりも閾値電圧の絶対値が大きく、かつ、上記リセットトランジスタのゲート下のポテンシャルが上記増幅トランジスタの閾値電位より低いことを特徴とする。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記光電変換素子から転送トランジスタ、信号電荷蓄積部およびリセットトランジスタを経由して信号線への過剰信号電荷の掃出し経路ができ、高輝度な被写体の撮像時でも周辺画素への信号電荷の溢れ、ブルーミング現象が発生せず、高画質な画像を得ることができる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記反転増幅器の入力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、上記制御部は、信号電荷の読み出し動作を行わない期間は上記反転増幅器の入力側の電位が低くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子および上記転送トランジスタのゲートの電位を制御することを特徴とする。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御して信号電荷蓄積部のポテンシャルを浅くすることによって、反転増幅器が動作しないようにし、このとき、転送トランジスタをゲートの電位を制御して、転送トランジスタがデプリージョンタイプのトランジスタのために生じる信号電荷蓄積部から光電変換素子へ電荷の注入を防止する。また、リセットトランジスタが深いデプリージョンタイプのため、信号電荷蓄積部からオフ状態のリセットトランジスタを経由して垂直信号線へ電荷の排出が行われ、信号電荷蓄積部の電位は徐々にオフ状態のリセットトランジスタのゲート下のポテンシャル電位となる。この電位は増幅トランジスタの閾値電圧より低い電位のため、反転増幅器が動作しないようにすることにより、スイッチトキャパシタアンプ部から信号線に信号が出力されないので、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数を削減することが可能となり、さらに１画素当たりのトランジスタ数を削減して画素サイズの小型化ができる。

また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記反転増幅器の入力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、上記制御部は、信号電荷の読み出し動作を行わない期間は上記反転増幅器の入力側の電位が徐々に低くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする。

上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、反転増幅器の入力側の電位が徐々に低くなるように、昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御して信号電荷蓄積部のポテンシャルを浅くすることによって、転送トランジスタがデプリージョンタイプのトランジスタのために生じる信号電荷蓄積部から光電変換素子へ電荷の注入を防止する。また、リセットトランジスタが深いデプリージョンタイプのため、信号電荷蓄積部からオフ状態のリセットトランジスタを経由して垂直信号線へ電荷の排出が行われ、信号電荷蓄積部の電位は徐々にオフ状態のリセットトランジスタのゲート下のポテンシャル電位となる。この電位は増幅トランジスタの閾値電圧より低い電位のため、反転増幅器が動作しないようにすることにより、スイッチトキャパシタアンプ部から信号線に信号が出力されないので、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数を削減することが可能となり、さらに１画素当たりのトランジスタ数を削減して画素サイズの小型化ができる。

以上より明らかなように、この発明の増幅型固体撮像装置によれば、複数の画素に共通のスイッチトキャパシタアンプ部を用いることにより、電荷電圧変換効率を低下させることなしに、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減することが可能となり、画素サイズの縮小化に極めて有利となる。

特に、反転増幅器を共通の信号線を介して駆動側(スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタ)と電源側負荷に分け、さらに、反転増幅器の入力部の電位を制御することにより、トランジスタ数の一層の削減と、増幅率の大幅な増大が可能となる。これにより、画素サイズの縮小化および電荷電圧変換ゲインの増大が一層有利となる。

さらに、フォトダイオードを埋め込み型とすることにより、フォトダイオードからの信号電荷転送を高める動作が可能となり、完全電荷転送化により極めて低ノイズの画像を得ることが可能となる。

以上により、小型・高性能イメージセンサの形成に本発明の増幅型固体撮像装置は極めて有用となる。

以下、この発明の増幅型固体撮像装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。

(第１実施形態)
図１は、本発明の第１実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。この２次元増幅型固体撮像装置は、複数の画素をマトリックス状に２次元配列している。

ここで、１０はすべての画素に存在する光電変換転送部、２０は縦方向にｋ個の光電変換転送部１０で共有するスイッチトキャパシタアンプ部、１１はｉ列に存在する全てのスイッチトキャパシタアンプ部２０が共有する定電流負荷トランジスタ４である電源側負荷、２５は制御部の一例としての垂直走査回路である。図１では、複数行,複数列の光電変換転送部１０のうちのｉ列目のみを示しており、各列において光電変換転送部群としてのｋ個の光電変換転送部１０毎にスイッチトキャパシタアンプ部２０を接続している。但し、ｋ,ｉは２以上の整数である。

上記光電変換転送部１０は、光電変換素子の一例としてのフォトダイオード１と転送トランジスタ２からなる。

また、上記スイッチトキャパシタアンプ部２０は、光電変換転送部群としてのｋ個の光電変換転送部１０の各転送トランジスタ２の出力側が接続された信号電荷蓄積部８と、上記信号電荷蓄積部８に入力側が接続され、出力側から垂直信号線９に接続された増幅トランジスタ３と、上記増幅トランジスタ３の入出力間に挿入されたリセットトランジスタ５およびキャパシタンス素子の一例としてのキャパシタ６からなる。上記増幅トランジスタ３は、定電流負荷トランジスタ４とともに定電流負荷型のソース接地反転増幅器を構成する。この反転増幅器の入力側のｋ個の光電変換転送部１０に共通の信号電荷蓄積部８の電位を持ち上げるための昇圧用キャパシタンス素子の一例としての昇圧用キャパシタ７の一端を信号電荷蓄積部８に接続している。ここで、信号電荷蓄積部８の容量をＣFD、キャパシタ６の容量をＣin,電位を持ち上げるための昇圧用キャパシタ７の容量をＣupで表す。

図１において、２１は転送トランジスタ駆動信号線、２２はリセットトランジスタ駆動信号線、２４は電位制御線である。上記転送トランジスタ駆動信号線２１を、行方向に配列された各光電変換転送部１０の転送トランジスタ２のゲートに接続している。また、上記リセットトランジスタ駆動信号線２２を、スイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ５のゲートに接続している。また、上記電位制御線２４を昇圧用キャパシタ７の他端に接続している。

上記転送トランジスタ２、増幅トランジスタ３およびリセットトランジスタ５は、エンハンスメントタイプのｎ型ＭＯＳトランジスタであり、定電流負荷トランジスタ４は、エンハンスメントタイプのｐ型ＭＯＳトランジスタである。

また、図１において、n番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０に接続された１行目の画素を(ｎ,１)、２行目の画素を(ｎ,２)、ｋ行目の画素を(ｎ,ｋ)で表す。従って２次元固体撮像装置が垂直方向にｐ個のスイッチトキャパシタアンプ部２０からなる場合、垂直方向に全部でｋ×ｐ個の画素からなる。(ｎ,１)画素、(ｎ,２)画素、…、(ｎ,ｋ)画素の転送トランジスタ２のゲートには、それぞれ駆動パルスφT(ｎ,１)、φT(ｎ,２)、…、φT(ｎ,ｋ)が印加される。

また、ｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０には、リセットトランジスタ５のゲートにリセットトランジスタ駆動信号線２２を介して駆動パルスφR(n)が印加され、信号電荷蓄積部８の電位を容量値Ｃupによって持ち上げるための制御パルスφC(n)が電位制御線２４を介して印加される。

なお、定電流負荷トランジスタ４は、トランジスタでなくとも拡散層などで構成される高抵抗であってもその目的は達成できる。また、この第１実施形態は、定電流負荷型ソース接地反転増幅器を用いた２次元増幅型固体撮像装置について説明しているが、トランジスタ負荷型ソース接地反転増幅器やカスコード型ソース接地反転増幅器でもその目的は達成できる。

図２は図１に示す２次元増幅型固体撮像装置の動作を説明する 期間Ｔ１では、ｎ行目のスイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ５のゲートに印加される駆動パルスφR(n)がハイレベルとなり、リセットトランジスタ５がオン状態となることによって、増幅トランジスタ３と定電流負荷トランジスタ４で構成される反転増幅器の入出力間が短絡され、信号電荷蓄積部８および垂直信号線９の電位Ｖsig(i)が、一定電位ＶＭにリセットされる。

これは以下の理由による。図３に反転増幅器の回路図を示し、図４にその特性を示す。今、この反転増幅器の入出力間を短絡すると、図４で反転増幅器の特性とＶout＝Ｖinなる直線との交点が一定電位ＶＭとなり、この電圧にリセットされるのである。

次に、図２に示す期間Ｔ２では、駆動パルスφR(n)がローレベルとなり、リセットトランジスタ５はオフ状態となる。このときに得られる信号電位がこの画素の基準電位である。

次の期間Ｔ３は、画素のフォトダイオード１で光電変換された信号電荷を、信号電荷蓄積部８に読み出す期間である。

駆動パルスφT(ｎ,１)をハイレベルにすることで、(ｎ,１)行目の転送トランジスタ２により(ｎ,１)行目のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部８に読み出される。更にこのとき、制御パルスφC(n)をハイレベルとすることにより、昇圧用キャパシタ７の容量Ｃupによって結合された信号電荷蓄積部８の電位が持ち上がり、フォトダイオード１から信号電荷蓄積部８への電荷転送が促進され、完全電荷転送化が可能となる。

次の期間Ｔ４では、駆動パルスφT(ｎ,１)と制御パルスφC(n)がローレベルとなり、よって信号電荷蓄積部８では期間Ｔ２での電位から信号電荷転送による変化分だけずれた電位が保持され、その保持された信号レベルが反転増幅器で増幅されて垂直信号線９に出力される。このときに得られる垂直信号線電位がこの画素の信号となる。

次の期間Ｔ５では、駆動パルスφR(n)をローレベルからハイレベルに変化させて、垂直信号線９と信号電荷蓄積部８を短絡させてＶＭ電位にしながら同時に駆動パルスφC(n)をローレベルからハイレベルに変化させる。

そして、次の期間Ｔ６に、駆動パルスφC(n)をハイレベルからローレベルに戻すことにより、信号電荷蓄積部８を低レベル(図２では接地電位)に保持する。

以上の動作により、垂直信号線９において、期間Ｔ２と期間Ｔ４の差信号を後段のＣＤＳ(相関２重サンプリング)回路や差動アンプ回路あるいはクランプ回路(本明細書では特に記載せず)で取れば、(ｎ,１)行目の画素に入射した光により発生した電荷による実効的な信号が読み出される。

上記動作説明は、(ｎ,１)行目の画素の場合であるが、(ｎ,２)から(ｎ,ｋ)行目の画素における動作も全く同様であり、転送トランジスタ２をオンするための駆動パルスをφT(ｎ,２)からφT(ｎ,ｋ)に選択する違いのみである。図２には(ｎ,２)行目の画素の場合のタイミングも記載されている。

ここで、フォトダイオード１から転送された電荷量△Ｑsig、反転増幅器のゲインＡとすれば、読み出される実効的な信号は
△Ｖsig ＝ Ａ・△Ｑsig／[ ＣFD＋Ｃup＋(１＋Ａ)Ｃin ] ……… (式１)
となる。ここで、反転増幅アンプのゲインＡは、

であり、(式２)中、gmは増幅トランジスタ３のトランスコンダクタンス、ronは増幅トランジスタ３の出力抵抗、ropは定電流負荷トランジスタ４の出力抵抗である。

また、アンプゲインＡが非常に大きい場合、
△Ｖsig ≒ △Ｑsig／Ｃin ……… (式３)
となって、結局、電荷電圧変換効率ηは
η ＝ △Ｖsig／△Ｑsig＝１／Ｃin ……… (式４)
となる。すなわち、出力される信号が信号電荷蓄積部８の容量ＣFDに依存しないことが示され、縦方向に接続する画素数が増加し、容量ＣFDが大きくなっても本発明によれば電荷電圧変換効率ηの低下が発生しない。

一方、信号電荷の読み出しを行わない行(≠ｎ)の信号電荷蓄積部８は、期間Ｔ６が続いていると考えてよく、低レベル(図２では接地電位)に保持されているため、増幅トランジスタ３が動作しない閾値電圧以下になっており、信号電荷の読み出しを行わない行の増幅トランジスタ３が反転増幅器として動作することは無い。

以上、上記構成の２次元増幅型固体撮像装置によれば、上記光電変換転送部群の夫々の複数の画素に対して共通の増幅回路(信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部２０)を備えることにより、１画素当りのトランジスタ数を削減することが可能となる。また、上記増幅回路をスイッチトキャパシタ型とすることにより、信号電荷蓄積部８の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換ゲインを高めることができる。したがって、簡単な構成で、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズを小型化することができる。

また、上記画素の光電変換素子に埋め込み型のフォトダイオードを用いることによって、フォトダイオード１からの信号電荷転送を完全化することができ、低ノイズ化されたより高画質の画像を得ることができる。

また、上記フォトダイオード１から転送トランジスタ２を介して信号電荷蓄積部８に電荷を転送するとき、垂直走査回路２５によって、昇圧用キャパシタ７の他方の端子電位を制御して反転増幅器の入力側の信号電荷蓄積部８のポテンシャルを深くし、信号電荷の転送を容易にして、埋め込み型のフォトダイオードから信号電荷蓄積部への電荷転送を完全にすることが可能となり、読み出しノイズを大幅に低減することができる。

また、垂直走査回路２５によって、昇圧用キャパシタ７の他方の端子電位を制御して反転増幅器の入力側の信号電荷蓄積部８のポテンシャルを浅くして、信号電荷蓄積部８の電位を接地電位とすることで上記スイッチトキャパシタアンプ部２０が信号電荷の読み出しを行わない期間、反転増幅器が動作しないようにすることにより、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数をさらに削減することが可能となる。

(第２実施形態)
図５は、本発明の第２実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。上記第２実施形態の２次元増幅型固体撮像装置は、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ５がデプリージョンタイプであること以外は第１の実施形態と同一の構成をしており、同一参照番号を付して説明を省略する。

一般に、高輝度な被写体を撮像時、過大な信号電荷がブルーミングにより周辺のフォトダイオードに溢れる場合がある。この対策として、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ５をエンハンスメントタイプからデプリージョンタイプに変更し、フォトダイオード１から信号電荷蓄積部８を経て垂直信号線９に過剰信号電荷のドレイン経路を設けている。この場合、リセットトランジスタ５のほうが転送トランジスタ２より、閾値電圧の絶対値が大きいデプリージョンタイプのトランジスタであることが望ましい。

図６にこの第２実施形態の駆動パルスのタイミングチャートを示す。期間Ｔ１からＴ５までは第１の実施形態と全く同じである。

そして、次の期間Ｔ６に、駆動パルスφC(n)をハイレベルからローレベルに戻すことにより、信号電荷蓄積部８を低レベル(図６では接地電位)にする。この時、転送トランジスタ２がデプリージョンタイプのトランジスタのため、信号電荷蓄積部８からフォトダイオード1へ電荷の注入が起こるため、これを防ぐ目的で、転送トランジスタ２の駆動パルスφT(ｎ,１)、φT(ｎ,２)、…、φT(ｎ,ｋ)をより低電位にして、上記の現象を防ぐ。信号電荷蓄積部８の電位は一旦接地電位になるが、リセットトランジスタ５の閾値電圧の絶対値が大きいデプリージョンタイプのため、信号電荷蓄積部８からリセットトランジスタ５を経由して垂直信号線９へ電荷の排出が行われ、信号電荷蓄積部８の電位は徐々にＶＲ０に落ち着く。ここでＶＲ０とは、駆動パルスφR(n)がローレベルの時のリセットトランジスタ５のゲート下のポテンシャルを表す。

期間Ｔ７では、信号電荷蓄積部８の電位が完全にＶＲ０に落ち着いた後、転送トランジスタ２の駆動パルスφT(ｎ,１)、φT(ｎ,２)、…、φT(ｎ,ｋ)を通常のローレベルに戻す。期間Ｔ７が大部分の期間であり、この間に高輝度な被写体を撮像時、信号電荷蓄積部８を経て垂直信号線９に過剰信号電荷のドレイン経路を設けたブルーミング抑圧動作が可能となる。

一方、信号電荷の読み出しを行わない行(≠ｎ)の信号電荷蓄積部８は、期間Ｔ７が続いていると考えてよく、低レベル(図６ではＶＲ０)に保持されているため、ＶＲ０が増幅トランジスタ３の閾値電圧以下になっていれば、信号電荷の読み出しを行わない行の増幅トランジスタ３が反転増幅器として動作することは無い。

以上の動作により、垂直信号線９において、期間Ｔ２と期間Ｔ４の差信号を後段のＣＤＳ(相関２重サンプリング)回路や差動アンプ回路あるいはクランプ回路(本明細書では特に記載せず)で取れば、(ｎ,１)行目の画素に入射した光により発生した電荷による実効的な信号が読み出されることは、第１の実施形態と全く同じである。

また、上記動作説明は、(ｎ,１)行目の画素の場合であるが、(ｎ,２)から(ｎ,ｋ)行目の画素における動作も全く同様であり、転送トランジスタ２をオンするための駆動パルスをφT(ｎ,２)からφT(ｎ,ｋ)に選択する違いのみであることも、第１の実施形態と全く同じである。

また、これにより、従来の画素構造では必要であった選択トランジスタがやはり不必要となり、単位画素面積に占めるフォトダイオード１の面積を大きくすることが可能となって、高画質の画像を得ることができ、かつ画素サイズを小型化できる。また、出力される信号が信号電荷蓄積部８の容量ＣFDに依存せず、縦方向に接続する画素数が増加し、容量ＣFDが大きくなっても、本発明によれば電荷電圧変換効率ηの低下が発生しないことはこの第２実施形態でも自明である。

(第３実施形態)
図７にこの第２実施形態の他の駆動パルスのタイミングチャートを示す。期間Ｔ１からＴ５までは、第２の実施形態の駆動パルスのタイミングチャートと全く同じである。

そして、次の期間Ｔ６に、駆動パルスφC(n)をハイレベルからローレベルに戻すことにより、信号電荷蓄積部８を低レベルにする。この時、転送トランジスタ２がデプリージョンタイプのトランジスタのため、信号電荷蓄積部８からフォトダイオード1へ電荷の注入が起こるため、これを防ぐ目的で、制御パルスφC(n)をハイレベルからローレベルに戻すとき、駆動パルスに大きな時定数を持たせる。これにより、信号電荷蓄積部８の電位は一挙に低電位にならず、徐々にＶＲ０に落ち着く(ＶＲ０は、駆動パルスφR(n)がローレベルの時のリセットトランジスタ５のゲート下のポテンシャルを表す)。信号電荷蓄積部８の電位は一挙に低電位にならないため、転送トランジスタ２の駆動パルスφT(ｎ,１)、φT(ｎ,２)、…、φT(ｎ,ｋ)をより低電位にしなくても、上記の電荷の注入現象は起こらず、ＶＲ０でクリップされる。

期間Ｔ７では、信号電荷蓄積部８の電位が完全にＶＲ０に落ち着いている。期間Ｔ７が大部分の期間であり、この間に高輝度な被写体を撮像時、信号電荷蓄積部８を経て垂直信号線９に過剰信号電荷のドレイン経路を設けたブルーミング抑圧動作が可能となるのは、第２の実施形態と同じである。

一方、信号電荷の読み出しを行わない行(≠ｎ)の信号電荷蓄積部８は、期間Ｔ７が続いていると考えてよく、低レベル(図７ではＶＲ０)に保持されているため、ＶＲ０が増幅トランジスタ３が動作しない閾値電圧以下になっていれば、信号電荷の読み出しを行わない行の増幅トランジスタ３が反転増幅器として動作することは無い。これも第２の実施形態と同じである。

以上の動作により、垂直信号線９において、期間Ｔ２と期間Ｔ４の差信号を後段のＣＤＳ(相関２重サンプリング)回路や差動アンプ回路あるいはクランプ回路(本明細書では特に記載せず)で取れば、(ｎ,１)行目の画素に入射した光により発生した電荷による実効的な信号が読み出されることは、第１、第２の実施形態と全く同じである。

また、上記動作説明は、(ｎ,１)行目の画素の場合であるが、(ｎ,２)から(ｎ,ｋ)行目の画素における動作も全く同様であり、転送トランジスタ２をオンするための駆動パルスをφT(ｎ,２)からφT(ｎ,ｋ)に選択する違いのみであることも、第１、第２の実施形態と全く同じである。

上記第１〜第３実施形態では、増幅型固体撮像装置の一例としての画素が２次元配列された２次元増幅型固体撮像装置について説明したが、画素が１次元配列された増幅型固体撮像装置に本発明を適用してもよい。

図１は本発明の第１実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。 図２は上記２次元増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートである。 図３は上記２次元増幅型固体撮像装置の反転増幅器単体の回路図である。 図４は上記２次元増幅型固体撮像装置の反転増幅器の特性である。 図５は本発明の第２実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。 図６は上記２次元増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートである。 図７は上記２次元増幅型固体撮像装置の他の駆動パルスのタイミングチャートである。 図８は従来の増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。 図９は上記増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートである。

符号の説明

１…フォトダイオード
２…転送トランジスタ
３…増幅トランジスタ
４…定電流負荷トランジスタ
５…リセットトランジスタ
６…キャパシタ
７…昇圧用キャパシタ
８…信号電荷蓄積部
９…垂直信号線
１０…光電変換転送部
１１…電源側負荷
２０…スイッチトキャパシタアンプ部
２１…転送トランジスタ駆動信号線
２２…リセットトランジスタ駆動信号線
２４…電位制御線
２５…垂直走査回路

Claims (8)

1. 光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有すると共に、画素毎に設けられた複数の光電変換転送部と
   を備え、
   上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部は所定数毎に光電変換転送部群に分けられ、
   上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、
   上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、
   上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部と
   を備え、
   上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続され、出力側が上記信号線に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたリセットトランジスタとを有し、
   上記制御部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の入力側電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記反転増幅器の入力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
   上記制御部は、信号電荷の読み出し動作を行わない期間は上記反転増幅器の入力側電位が低くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
4. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
   上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
5. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記反転増幅器を構成する上記電源側負荷は、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
6. 請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記転送トランジスタおよび上記リセットトランジスタはデプリージョンタイプのトランジスタであり、
   上記リセットトランジスタは上記転送トランジスタよりも閾値電圧の絶対値が大きく、かつ、上記リセットトランジスタのゲート下のポテンシャルが上記増幅トランジスタの閾値電位より低い
   ことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
7. 請求項６に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記反転増幅器の入力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
   上記制御部は、信号電荷の読み出し動作を行わない期間は上記反転増幅器の入力側の電位が低くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子および上記転送トランジスタのゲートの電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
8. 請求項６に記載の増幅型固体撮像装置において、
   上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記反転増幅器の入力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
   上記制御部は、信号電荷の読み出し動作を行わない期間は上記反転増幅器の入力側の電位が徐々に低くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。

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