JP2006303871A - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents

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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とを有する。制御部２５により、リセットトランジスタ５と切り替え部１２を制御することによって、増幅トランジスタ３と定電流負荷トランジスタ４で構成された反転増幅器の入力側電位を制御する。
【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７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７に示す増幅型固体撮像装置の動作を図８のタイミング図に示す。
図８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光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の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、
上記信号線に接続された上記電源側負荷を一定電位部に切り替えるための切り替え部と、
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および上記切り替え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、
上記制御部により上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタと上記切り替え部を制御することによって、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。
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。
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。
さらに、上記制御部によりスイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタと切り替え部を制御して、信号線に接続された電源側負荷を一定電位部に切り替えて、リセットトランジスタをオン状態にすることによって、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電源側負荷で構成された反転増幅器の入力側電位を上記一定電位部の電位にすることが可能となる。例えば、一定電位部の電位をスイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタの閾値電位よりも低くすることにより、上記反転増幅器が動作しない。したがって、上記制御部によりスイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタと切り替え部を制御することにより、簡単な構成で反転増幅器の動作を制御することができる。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部は、信号電荷の読み出し動作を行わない期間、上記切り替え部を制御して上記信号線に接続された上記電源側負荷を上記一定電位部に切り替えると共に、上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオン状態にすることによって、上記反転増幅器の入力側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、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を行わない期間、上記制御部により切り替え部を制御して信号線に接続された電源側負荷を一定電位部に切り替えることによって、上記反転増幅器の入力側電位を制御して、反転増幅器が動作を制御することが可能となる。これにより、信号電荷の読み出し動作を行わない期間、反転増幅器が動作しないように制御することによって、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ようにできるので、読み出しライン(光電変換転送部群)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群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、昇圧用キャパシタンス素子を用いないときよりも深くし、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は、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はディプリージョンタイプのトランジスタであり、オフ状態の上記転送トランジスタのゲート下のポテンシャルが上記一定電位部の電位よりも浅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、上記転送トランジスタにディプリージョンタイプのトランジスタを用いることによって、上記光電変換素子から上記転送トランジスタ、上記信号電荷蓄積部、上記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、オフ状態の転送トランジスタのゲート下のポテンシャルが一定電位部の電位よりも浅くすることによって、上記制御部により、信号線に接続された電源側負荷を一定電位部に切り替えてリセットトランジスタをオン状態にしたときに、一定電位部の電位になった反転増幅器の入力側すなわち上記信号電荷蓄積部から上記光電変換素子に電荷の注入されるのを防止できる。
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部は、信号電荷の読み出し動作を行わない期間、上記切り替え部を制御して上記信号線に接続された上記電源側負荷を上記一定電位部に切り替えて、上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオン状態にすることによって、上記反転増幅器の入力側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、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を行わない期間、上記制御部により切り替え部を制御して信号線に接続された電源側負荷を一定電位部に切り替えることによって、上記反転増幅器の入力側電位を制御して、反転増幅器が動作を制御することが可能となる。これにより、信号電荷の読み出し動作を行わない期間、反転増幅器が動作しないように制御することによって、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ようにできるので、読み出しライン(光電変換転送部群)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群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、昇圧用キャパシタンス素子を用いないときよりも深くし、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。
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、上記制御部によりスイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタと切り替え部を制御して反転増幅器の入力側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、１２は定電流負荷トラジスタ４で構成される電源側負荷１１を一定電位部１３(接地電位)に切り替えるための切り替え部の一例としてのスイッチ回路である。２５は制御部の一例としての垂直走査回路である。上記定電流負荷トランジスタ４のベースにバイアス信号Ｂias pが印加され、定電流負荷トランジスタ４を介して垂直信号線９に電源電位ＶＤＤが印加される。
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の電位を昇圧す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。
また、垂直信号線９の電位を制御するスイッチ回路１２は、電源側負荷１１と一定電位部１３(接地電位)とを切り替えるために、共通の駆動パルスφＳで制御される互いに逆相の切り替え用トランジスタからなる。すなわち、スイッチ回路１２は、駆動パルスφＳがローレベルでオンして定電流負荷トランジスタ４を垂直信号線９に接続するトランジスタ１２aと、駆動パルスφＳがハイレベルでオンして一定電位部１３を垂直信号線９に接続するトランジスタ１２bを有している。
図１に示すように、制御部２５に、転送トランジスタ駆動信号線２１と、リセットトランジスタ駆動信号線２２と、切替信号線２３と、電位制御線２４の夫々の一端を接続している。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、上記切替信号線２３をスイッチ回路１２に接続すると共に、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。
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次元増幅型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。
また、垂直信号線９を電源側負荷１１と一定電位とを切り替えるために、スイッチ回路１２の互いに逆相のトランジスタを制御する駆動パルスφＳが切替信号線２３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２Ａ,図２Ｂにて、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。
図２Ａは信号電荷を読み出すライン(信号電荷蓄積部群)の動作であり、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)がハイレベルであるため、リセットトランジスタ５がオン状態であり、かつスイッチ回路１２に入力される駆動パルスφＳがローレベルのため垂直信号線９は定電流負荷トランジスタ４に接続されることによって、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２Ａ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垂直信号線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、リセットトランジスタ５により垂直信号線９と信号電荷蓄積部８を短絡させる。さらに、スイッチ回路１２の駆動パルスφＳをハイレベルにすることにより、スイッチ回路１２のトランジスタ１２aをオフしてトランジスタ１２bをオンし、垂直信号線９の電位を接地電位とする。これにより、信号電荷蓄積部８の電位は接地電位に保持される。
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２Ａ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、
Figure 2006303871
であり、(式２)において、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、反転増幅器のゲイン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ライン(信号電荷蓄積部群)の動作を図２Ｂに示す。信号電荷の読み出しライン(信号電荷蓄積部群)の動作と同様、時間Ｔ５により信号電荷蓄積部(n’)８の電位は接地電位に保持されている。時間Ｔ１からＴ４では、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’)をローレベルのままにして垂直信号線９と信号電荷蓄積部８とを遮断し、垂直信号線９の電位が変化しても、信号電荷蓄積部(n’)８を接地電位のまま保持させる。
そうすると、期間Ｔ４において信号電荷蓄積部(n’)８の電位は、キャパシタ６の容量結合により垂直信号線９の電位変化の影響を受けるが、最大で△Ｖfdである。ここで△Ｖfdは
△Ｖfd＝ＶＤＤ・Ｃin／(ＣFD＋Ｃup)……… (式５)
よって、△Ｖfdが増幅トランジスタ３の閾値電圧以下に設計すれば、信号電荷の読み出しを行わないライン(信号電荷蓄積部群)のトランジスタ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、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は、スイッチ回路１２を切り替えて垂直信号線９にスイッチ回路１２を介して一定電位部１３(接地電位)を接続し、さらにリセットトランジスタ５をオンして、垂直信号線９と信号電荷蓄積部８を短絡させる。そうすることにより、信号電荷蓄積部８の電位を接地電位にして、反転増幅器が動作しないようにできる。したがって、読み出しライン(信号電荷蓄積部群)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がディプリージョンタイプであることと、垂直信号線９にスイッチ回路１２を介して印加する一定電位が接地電位でなく一定電位ＶＬであること以外は、第１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をエンハンスメントタイプからディプリージョンタイプに変更し、過剰信号電荷をフォトダイオード１から転送トランジスタ２を介して信号電荷蓄積部８へドレイン経路を設けている。
図６Ａ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Ｔ４までは第１実施形態と全く同じである。
そして、次の期間Ｔ５に、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リセットトランジスタ５により垂直信号線９と信号電荷蓄積部８を短絡させ、さらにスイッチ回路１２の駆動パルスφＳをハイレベルにすることで垂直信号線９の電位を一定電位ＶＬとする。これにより、Ｔ５の期間は、信号電荷蓄積部８の電位が一定電位ＶＬに保持される。
ここで、一定電位部１３が第１実施形態での接地電位でない理由は、転送トランジスタ２がディプリージョンタイプのトランジスタのため、一定電位部１３を接地電位にした場合、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である。よって、一定電位ＶＬは、
ＶＬ ＞ ＶφＴ……… (式６)
であることが必要である。ここで、ＶφＴは転送トランジスタ２のゲート電圧がローレベルの時のゲート下のポテンシャルを表す。
期間Ｔ５が大部分の期間であり、この間に高輝度な被写体を撮像するとき、フォトダイオード１から転送トランジスタ２を経て、信号電荷蓄積部８に印加された一定電位ＶＬへ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ライン(信号電荷蓄積部群)の動作を図６Ｂに示す。信号電荷の読み出しライン(信号電荷蓄積部群)の動作と同様、時間Ｔ５により信号電荷蓄積部(n’)８の電位は一定電位ＶＬに保持されている。時間Ｔ１からＴ４では、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’)をローレベルにして垂直信号線９と信号電荷蓄積部８とを遮断し、信号電荷蓄積部(n’)８を一定電位ＶＬのまま保持する。
そうして、期間Ｔ４において信号電荷蓄積部８の電位は、キャパシタ６の容量結合により垂直信号線９の電位変化の影響を受けるが、最大で△Ｖfdである。ここで△Ｖfdは(式５)で表される。よって、ＶＬ＋△Ｖfdが増幅トランジスタ３の閾値電圧以下になるように設計すれば、信号電荷の読み出しを行わないライン(信号電荷蓄積部群)のスイッチトキャパシタアンプ部２０の反転増幅器が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。
上記第１,第２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２Ａ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２Ｂは上記２次元増幅型固体撮像装置の信号電荷の読み出しを行わないライン(信号電荷蓄積部群)の動作における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６Ａ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６Ｂは上記２次元増幅型固体撮像装置の信号電荷の読み出しを行わないライン(信号電荷蓄積部群)の動作における駆動パルスのタイミングチャートである。 図７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８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
１２…スイッチ回路
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
２３…切替信号線
２４…電位制御線
２５…垂直走査回路

Claims (9)

  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光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
    上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の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、
    上記信号線に接続された上記電源側負荷を一定電位部に切り替えるための切り替え部と、
    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および上記切り替え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、
    上記制御部により上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタと上記切り替え部を制御することによって、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、
    上記制御部は、信号電荷の読み出し動作を行わない期間、上記切り替え部を制御して上記信号線に接続された上記電源側負荷を上記一定電位部に切り替えると共に、上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオン状態にすることによって、上記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。
  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群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はディプリージョンタイプのトランジスタであり、
    オフ状態の上記転送トランジスタのゲート下のポテンシャルが上記一定電位部の電位よりも浅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、
    上記制御部は、信号電荷の読み出し動作を行わない期間、上記切り替え部を制御して上記信号線に接続された上記電源側負荷を上記一定電位部に切り替えて、上記スイッチトキャパシタアンプ部のリセットトランジスタをオン状態にすることによって、上記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。
  8. 請求項６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。
  9. 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群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。
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