JP2007006447A - Ｃｍｏｓイメージセンサーのイメージ画素 - Google Patents

Ｃｍｏｓイメージセンサーのイメージ画素 Download PDF

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愿 太 崔
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Abstract

【課題】信号対雑音比、ダイナミックレンジ、低照度特性及び高温動作特性を改善したＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素を提供する。
【解決手段】第１ノード及び接地端子に接続され入射する光によって信号を生成する光電変換素子と、前記第１ノード及び電源端子に接続されて暗電流を供給する電流源と、第２ノード、電源端子及び前記第１ノードに接続され、前記第１ノードに蓄積された信号電荷によって、前記第１ノードに接続されたノードの電位を変化させて前記第２ノードのバイアスを変化させる第１スイッチと、前記第１スイッチに接続され、ロー選択信号が印加されて、前記光電変換素子で生成された信号による電位差をカラム選択ラインに出力する第２スイッチと、前記第１ノードと電源端子との間に接続され、リセット信号が印加されて前記第１ノードに蓄積された信号電荷をリセットさせる第３スイッチを備える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素に関し、特に暗電流源の役割を担うダークダイオードを、フォトダイオードに直接接続することによって、イメージ画素で生成される暗電流を最小限に抑えられる他、暗電流に起因するノイズを低減できるため、高い信号対雑音比(Ｓ／Ｎ)、ダイナミックレンジ及び低照度特性が向上し、また、高温における特性劣化が防止され高温動作特性が改善されるＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素に関する。
イメージセンサーは、光がカラーフィルタ（ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒ）を通って光導電体に入ると、その光の波長と強度によって光導電体で発生した電子・正孔が信号を形成して出力部まで転送するもので、その方式によってＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ；電荷結合素子）イメージセンサーとＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；相補型酸化金属半導体）イメージセンサーとに区分される。
ＣＣＤイメージセンサーは、受光部であるフォトダイオード、電荷転送部及び信号出力部から構成される。フォトダイオードは、光を取り込んで信号電荷を生成し、電荷転送部は、フォトダイオードで生成された信号電荷を、ＣＣＤを用いて損失なしに信号出力部に伝達し、信号出力部は、信号電荷を蓄積し、信号電荷量に比例する電圧を感知してアナログ出力を出す。したがって、ＣＣＤイメージセンサーは、最後の段において電圧の形態に変換するから、ノイズ特性に優れており、この点から高画質デジタルカメラ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃａｍｅｒａ）及びカムコーダ（Ｃａｍｃｏｒｄｅｒ）などに好適に使用されている。しかし、このＣＣＤイメージセンサーは、駆動方式が複雑なために大きい電圧が要求されるだけでなく、別の駆動回路が必要とされるために電力消費が大きく、また、マスク工程の数が多いために信号処理回路をＣＣＤチップ内に具現できないといった短所がある。そこで、サブミクロンＣＭＯＳイメージセンサーへの開発が多くなされている。
ＣＭＯＳイメージセンサーは、ＣＣＤイメージセンサーとは違い、それぞれのフォトダイオードから発生した信号電荷を、電圧に変換し、これを最後の段まで伝達する。このため、ＣＭＯＳイメージセンサーは、ＣＣＤイメージセンサーに比べて、信号が弱く、固定的に発生するノイズに加えて、暗電流（ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ）によってノイズなどが発生するという短所を持つ。しかし、半導体工程技術の発展から、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ；相関二重抽出）回路の採用が可能になり、リセットノイズを大幅に改善することによってより向上した水準のイメージ信号が得られるようになった。すなわち、ＣＤＳ回路は、イメージ画素のリセット電圧をサンプリングした後に信号電圧をサンプリングする動作を行い、このときにＣＤＳ回路の出力は、リセット電圧と信号電圧との差になるので、イメージ画素内のトランジスタのしきい電圧差に起因する固定パターンノイズ及びリセット電圧の差に起因するリセットノイズが抑制されることによって、より高解像度のイメージを得ることが可能になった。その結果、ＣＭＯＳイメージセンサーは、デジタルカメラ、モバイルフォン（Ｍｏｂｉｌｅ Ｐｈｏｎｅ）及びＰＣカメラなどに幅広く使用されており、最近はオートモバイル（Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ）などのような特殊な用途にまで使われるようになった。
一方、オートモバイルなどのような特殊な用途向けのＣＭＯＳイメージセンサーを得るには、イメージ画素の大きさを縮めるよりは暗電流を最小化し高温動作特性を改善することが重要である。
それ以外にも、高解像度のイメージを得るためにＣＭＯＳイメージセンサーは多くの要件を満足しなければならない。すなわち、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）、高い量子効率、高いフィルファクタ、高いダイナミックレンジなどを満足しなければならない。
上記のＣＭＯＳイメージセンサーが満足しなければならない要件を揃えるために、イメージ画素の構造は、１−トランジスタ構造、３−トランジスタ構造、４−トランジスタ構造の順に発展してきた。
図１は、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサー１と、その周辺の素子を示す図である。図１に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサー１は、受光部であるフォトダイオード、電荷転送部及び信号出力部から構成された複数のイメージ画素１００で構成される。また、イメージセンサー１は、ロー選択信号入力端子で構成されたロー選択ライン１０１に接続され、該フォトダイオードで生成された信号を読み取り、リセット後の基準電位を読み取る読み取り回路１０２と接続される。ここで、読み取られた信号は、カラム信号出力端子で構成されたカラム選択ライン１０３に出力され、この出力された信号は、出力バッファー１０４及びアナログ／デジタルコンバータ１０５で電気的信号に変換される。
図２は、従来技術による３−トランジスタイメージ画素２００の回路構成図である。図２に示すように、３−トランジスタイメージ画素２００は、ゲートが第１ノード２０６に接続され、ドレインは電源端子ＶＤＤに接続され、ソースは第２ノード２０７に接続される第１トランジスタ２０３と、ゲートにはロー選択信号２０９が印加され、ドレインは第２ノード２０７に接続され、ソースはカラム選択ライン２１０に接続される第２トランジスタ２０４と、ゲートにリセット信号入力端子を介してリセット信号２０８が印加され、ドレインは電源端子ＶＤＤに接続され、ソースは第１ノード２０６に接続される第３トランジスタ２０２と、第１ノード２０６及び接地端子に接続されるフォトダイオード２０１と、を備えてなる。
ここで、第１ノード２０６は、フォトダイオード２０１で発生した電荷を貯蔵し、貯蔵された電荷に相応する電圧を発生し、リセット動作時に貯蔵された電荷を排出する役割を担う。
上記のように構成された３−トランジスタイメージ画素２００のイメージセンシング動作を説明すると、下記の通りである。
フォトダイオード２０１には、外部から入射する光によって電荷が蓄積される。このときに、蓄積された信号電荷は、第３トランジスタ２０２のソースである第１ノード２０６の電位を変化させ、このような電位変化は、イメージ画素２００のソース・フォロワー（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ）の役割をする第１トランジスタ２０３のゲート電位を変化させる。
第１トランジスタ２０３のゲート電位の変化は、第１トランジスタ２０３のソースまたは第２トランジスタ２０４のドレインに接続された第２ノード２０７のバイアスを変化させる。
また、信号電荷が蓄積される間、第３トランジスタ２０２のソースまたは第１トランジスタ２０３のソースの電位が変化する。このときに、第２トランジスタ２０４のゲートにロー選択信号入力端子を介してロー選択信号２０９が入力されると、フォトダイオード２０１で生成された信号電荷によって発生した電位差を、カラム選択ライン２１０側に出力する。
また、フォトダイオード２０１の電荷生成によって発生した信号レベルを検出した後には、リセット信号入力端子からのリセット信号２０８によって第３トランジスタ２０２がオン状態に転じ、これにより、フォトダイオード２０１に蓄積された信号電荷は全部リセットされる。
図３は、従来技術による４−トランジスタイメージ画素３００の回路構成図である。４−トランジスタＣＭＯＳイメージセンサーは、３−トランジスタＣＭＯＳイメージセンサーにおけるノイズ問題を解消するために提案されたもので、その構成は次の通りである。
図３に示すように、４−トランジスタイメージ画素３００は、ゲートが第１ノード３０６に、ドレインは電源端子ＶＤＤに、ソースは第２ノード３０７に接続される第１トランジスタ３０３と、ゲートにはロー選択信号３１０が印加され、ドレインは第２ノード３０７に、ソースはカラム選択ライン３１１に接続される第２トランジスタ３０４と、ゲートにリセット信号入力端子を介してリセット信号３０９が印加され、ドレインは電源端子ＶＤＤに、ソースは第１ノード３０６に接続される第３トランジスタ３０２と、ゲートにはトランスファ信号３１２が印加され、ドレインは第１ノード３０６に、ソースは第３ノード３０８に接続される第４トランジスタ３０５と、第３ノード３０８及び接地端子に接続されるフォトダイオード３０１、を備えてなる。
図２におけると同様に、図３の第１ノード３０６もまた、フォトダイオード３０１で発生した電荷を貯蔵し、貯蔵された電荷に相応する電圧を発生し、リセット動作時に、貯蔵された電荷を排出する役割を担う。
上記のように構成された４−トランジスタイメージ画素３００のイメージセンシング動作について説明すると、次の通りである。
フォトダイオード３０１には、外部から入射する光によって電荷が蓄積され、蓄積された信号電荷がフォトダイオード３０１の表面に集まり、このときに第４トランジスタ３０５のゲートにトランスファ信号３１２が入力されて第４トランジスタ３０５がオン状態に転じると、第１ノード３０６に信号レベルが伝達される。
この状態で、もし第３トランジスタ３０２がオフ状態を保持していると、第１ノード３０６に蓄積された信号電荷によって、第３トランジスタ３０２のソースに接続された第１ノード３０６の電位が変化され、これは第１トランジスタ３０３のゲート電位の変化につながる。
第１トランジスタ３０３のゲート電位の変化は、第１トランジスタ３０３のソースまたは第２トランジスタ３０４のドレインと接続されている第２ノード３０７のバイアスを変化させる。
また、信号電荷が蓄積される間、第３トランジスタ３０２のソースまたは第１トランジスタ３０３のソースの電位が変化される。このときに、第２トランジスタ３０４のゲートにロー選択信号入力端子からロー選択信号３１０が入力されると、フォトダイオード３０１で生成された信号電荷によって発生した電位差を、カラム選択ライン３１１側に出力する。
また、フォトダイオード３０１の電荷生成によって発生した信号レベルを検出した後には、リセット信号入力端子からのリセット信号３０９によって第３トランジスタ３０２がオン状態に転じ、これにより、フォトダイオード３０１に蓄積された信号電荷は全部リセットされる。
図２及び図３に示すイメージ画素２００，３００によりイメージセンシングがなされてイメージ信号が出力されるが、フォトダイオード２０１，３０１で発生する暗電流Ｉdによってイメージ信号にノイズが形成され、歪んだイメージ信号が出力されてしまう。
ここで、暗電流とは、光信号がない状態でもイメージセンサーのイメージ画素により生成される望ましくない電流をいい、熱エネルギーによって空乏層内で発生する電流を意味する。このような暗電流Ｉdは、フォトダイオード２０１，３０１においても発生し、発生した暗電流Ｉdは第１トランジスタ２０３、３０３で電圧に変換され、無信号時にも出力信号として働き、結果として暗電流Ｉdから生成された信号によって歪んだイメージ信号が出力されてしまう。
図４は、従来技術による、暗電流を補償するためのイメージセンサー１の構造を示す図である。暗電流を補償する過程は、次の通りである。
図２及び図３で言及した暗電流を補償するためには、図４に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサー１を構成するイメージ画素のうち複数のダークイメージ画素４００を、ＣＭＯＳイメージセンサー１の縁部分に配置し、ここから発生した暗電流の値を計算して補償を行う方法を用いる。
すなわち、複数のダークイメージ画素４００から発生する暗電流の平均値を求め、これをそれぞれのイメージ画素について同一に補償することによって暗電流を最小化させる方法が用いられている。
しかしながら、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素は、ダークイメージ画素から発生する暗電流の平均値を求め、これをそれぞれのイメージ画素について同一に補償する方法を用いて暗電流を補償しているため、それぞれのイメージ画素に対する個別的な補償ができないという問題点があった。
また、従来の暗電流補償方法は、それぞれのイメージ画素について暗電流を補償するものではないので、暗電流が増加する高温動作時には、イメージ画素のフォトダイオードが早く放電されイメージ画素の特性が劣化するという問題点もあった。
したがって、本発明の目的は、上記問題点を解決するためのものであり、暗電流源の役割をするダークダイオードを、フォトダイオードに直接接続することによって、イメージ画素で生成される暗電流を最小化し、かつ暗電流に起因するノイズを低減することによって、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）、ダイナミックレンジ及び低照度特性が向上し、高温における特性劣化が抑えられて高温動作特性が改善されたＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一側面に係るＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素は、第１ノード及び接地端子に接続され、入射する光によって信号を生成する光電変換素子と、前記第１ノード及び電源端子に接続されて暗電流を供給する電流源と、第２ノード、電源端子及び前記第１ノードに接続され、前記第１ノードに蓄積された信号電荷によって、前記第１ノードに接続されたノードの電位を変化させて前記第２ノードのバイアスを変化させる第１スイッチと、前記第１スイッチに接続され、ロー選択信号が印加されて、前記光電変換素子で生成された信号による電位差を、カラム選択ラインに出力する第２スイッチと、前記第１ノードと電源端子との間に接続され、リセット信号が印加されて、前記第１ノードに蓄積された信号電荷をリセットさせる第３スイッチを備える。
ここで、前記光電変換素子はフォトダイオードであり、該フォトダイオードの陽極端子は接地端子と接続され、陰極端子は前記第１ノードに接続されるようにしてもよい。
また、前記電流源は、メタルで被覆されており、光が透過しないダークダイオードであり、前記ダークダイオードの陽極端子は、前記第１ノードに接続され、陰極端子は、電源端子に接続されるようにしてもよい。
また、前記第１スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートは前記第１ノードに接続され、ドレインは電源端子に接続され、ソースは前記第２ノードに接続されるようにしてもよい。
また、前記第２スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはロー選択信号が印加され、ドレインは前記第２ノードに接続され、ソースはカラム選択ラインに接続されるようにしてもよい。
また、前記第３スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはリセット信号が印加され、ドレインは電源端子に接続され、ソースは前記第１ノードに接続されるようにしてもよい。
また、本発明の他の側面に係るＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素は、第３ノードと接地端子に接続され、入射する光によって信号を生成する光電変換素子と、前記第３ノード及び電源端子に接続されて暗電流を供給する電流源と、第２ノード、電源端子及び第１ノードに接続され、前記第１ノードに蓄積された信号電荷によって、前記第１ノードに接続されたノードの電位を変化させて前記第２ノードのバイアスを変化させる第１スイッチと、前記第１スイッチに接続され、ロー選択信号が印加されて、前記光電変換素子で生成された信号による電位差を、カラム選択ラインに出力する第２スイッチと、前記第１ノードと電源端子との間に接続され、リセット信号が印加されて、前記第１ノードに蓄積された信号電荷をリセットさせる第３スイッチと、前記第１ノード及び第３ノードに接続され、トランスファ信号が印加されて、前記光電変換素子で生成された信号電荷をトランスファさせる第４スイッチを備える。
ここで、前記光電変換素子はフォトダイオードであり、該フォトダイオードの陽極端子は接地端子に接続され、陰極端子は前記第３ノードに接続されるようにしてもよい。
また、前記電流源は、メタルで被覆されており、光が透過しないダークダイオードであり、該ダークダイオードの陽極端子は前記第３ノードに接続され、陰極端子は電源端子に接続されるようにしてもよい。
また、前記第１スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートは前記第１ノードに接続され、ドレインは電源端子に接続され、ソースは前記第２ノードに接続されるようにしてもよい。
また、前記第２スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはロー選択信号が印加され、ドレインは前記第２ノードに接続され、ソースはカラム選択ラインに接続されるようにしてもよい。
また、前記第３スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはリセット信号が印加され、ドレインは電源端子に接続され、ソースは前記第１ノードに接続されるようにしてもよい。
また、前記第４スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはトランスファ信号が印加され、ドレインは前記第１ノードに接続され、ソースは前記第３ノードに接続されるようにしてもよい。
本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素によれば、暗電流源の役割をするダークダイオードをフォトダイオードに直接接続し、フォトダイオードで発生する暗電流を補償できるため、イメージ画素で生成される暗電流を最小限に抑えることが可能になる。
また、暗電流を最小限にし、暗電流によって発生するノイズを低減するので、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）及びダイナミックレンジ特性が向上し、暗い所でも形状などを感知できる低照度特性の改善が図られるという効果が得られる。
なお、温度の増加に比例してフォトダイオードで発生する暗電流も増加するが、その増加量だけダークダイオードの暗電流も増加するので、高温における特性劣化が防止されて高温動作特性が改善するという効果が得られる。
以下、添付図面を参照し、本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素に好適な実施の形態についてより詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図５は、本発明の実施例１によるＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素５００を示すものであり、３−トランジスタイメージ画素５００の回路構成を示している。
図５に示すように、３−トランジスタイメージ画素５００は、ゲートが第１ノード５０６に接続され、ドレインは電源端子ＶＤＤに、ソースは第２ノード５０７に接続される第１トランジスタ５０４と、ゲートにはロー選択信号５０９が印加され、ドレインは第２ノード５０７に、ソースはカラム選択ライン５１０に接続される第２トランジスタ５０５と、ゲートにリセット信号入力端子を介してリセット信号５０８が印加され、ドレインは電源端子ＶＤＤに、ソースは第１ノード５０６に接続される第３トランジスタ５０３と、第１ノード５０６及び接地端子に接続されるフォトダイオード５０１と、第１ノード５０６及び電源端子ＶＤＤに接続されるダークダイオード５０２を備えてなる。
ここで、第１ノード５０６は、フォトダイオード５０１で発生した電荷を貯蔵し、貯蔵された電荷に相応する電圧を発生し、リセット動作時に、貯蔵された電荷を排出する役割を担う。
また、ダークダイオード５０２には、光が透過しない物質を被覆することによって、光により生成される電流は存在せず、単に暗電流のみが生成されるようにし、その結果、ダークダイオード５０２は暗電流源として働くようになる。
上記のように構成された３−トランジスタイメージ画素５００のイメージセンシング動作及び暗電流補償過程について説明すると、下記の通りである。
フォトダイオード５０１には、外部から入射する光によって電荷が蓄積される。このときに、蓄積された信号電荷は、第３トランジスタ５０３のソースである第１ノード５０６の電位を変化させる。このような電位変化は、イメージ画素５００のソース・フォロワー（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ）の役割を担う第１トランジスタ５０４のゲート電位を変化させる。
第１トランジスタ５０４のゲート電位の変化は、第１トランジスタ５０４のソースまたは第２トランジスタ５０５のドレインと接続された第２ノード５０７のバイアスを変化させる。
また、信号電荷が蓄積される間、第３トランジスタ５０３のソースまたは第１トランジスタ５０４のソースの電位が変化される。このときに、第２トランジスタ５０５のゲートにロー選択信号入力端子を介してロー選択信号５０９が入力されると、フォトダイオード５０１で生成された信号電荷によって発生した電位差を、カラム選択ライン５１０側に出力する。
なお、フォトダイオード５０１の電荷生成によって発生した信号レベルを検出した後には、リセット信号入力端子からのリセット信号５０８によって第３トランジスタ５０３がオン状態に転じ、これにより、フォトダイオード５０１に蓄積された信号電荷は全部リセットされる。
上記の過程により３−トランジスタイメージ画素５００のイメージセンシングがなされイメージ信号が出力されるが、フォトダイオード５０１で発生する暗電流ＩD1によってイメージにノイズが形成され、歪んだイメージ信号が出力されてしまう。
すなわち、フォトダイオード５０１からも暗電流ＩD1が発生し、この発生した暗電流ＩD1は、第１トランジスタ５０４によって電圧に変換され、無信号時にも出力信号として働くことになる。したがって、暗電流ＩD1によって生成された信号によって歪んだイメージ信号が出力されてしまう。
かかる問題点を解決するために、本実施例では、暗電流源の役割を担うダークダイオード５０２をフォトダイオード５０１に直接接続することによって、フォトダイオード５０１で発生する暗電流を補償する。
すなわち、フォトダイオード５０１で発生する暗電流ＩD1のため、第１ノード５０６は貯蔵された電荷に相応する一定電圧を保持できないが、ダークダイオード５０２の陽極端子を、フォトダイオード５０１の陰極端子に直接接続された第１ノード５０６に接続し、ダークダイオード５０２で発生する暗電流ＩD2を第１ノード５０６に補償することによって、第１ノード５０６は、貯蔵された電荷に相応する一定電圧を保持可能になる。
また、高温動作時にフォトダイオード５０１で発生する暗電流ＩD1が増加しても、その増加量だけダークダイオード５０２の暗電流ＩD2も増加するので、高温動作における特性劣化を防止することができる。
図６は、本発明の実施例２によるＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素６００を示すもので、４−トランジスタイメージ画素６００の回路構成を示している。
図６に示すように、４−トランジスタイメージ画素６００は、ゲートが第１ノード６０７に、ドレインは電源端子ＶＤＤに、ソースは第２ノード６０８に接続される第１トランジスタ６０４と、ゲートにはロー選択信号６１１が印加され、ドレインは第２ノード６０８に、ソースはカラム選択ライン６１２に接続される第２トランジスタ６０５と、ゲートにリセット信号入力端子を介してリセット信号６１０が印加され、ドレインは電源端子ＶＤＤに、ソースは第１ノード６０７に接続される第３トランジスタ６０３と、ゲートにはトランスファ信号６１３が印加され、ドレインは第１ノード６０７に、ソースは第３ノード６０９に接続される第４トランジスタ６０６と、第３ノード６０９及び接地端子に接続されるフォトダイオード６０１と、第３ノード６０９及び電源端子ＶＤＤに接続されるダークダイオード６０２と、を備えてなる。
上記の実施例１におけると同様に、実施例２の第１ノード６０７もまた、フォトダイオード６０１で発生した電荷を貯蔵し、貯蔵された電荷に相応する電圧を発生し、リセット動作時に、貯蔵された電荷を排出する役割を担う。
また、実施例２で使用されるダークダイオード６０２にも、光が透過しない物質を被覆することによって、光によって生成される電流は存在せず、単に暗電流のみが生成されるようにし、その結果、ダークダイオード６０２もまた暗電流源として働くようになる。
上記のように構成された４−トランジスタイメージ画素６００のイメージセンシング動作及び暗電流補償過程について説明すると、下記の通りである。
フォトダイオード６０１には、外部から入射する光によって電荷が蓄積され、蓄積された信号電荷がフォトダイオード６０１の表面に集まり、このときに第４トランジスタ６０６のゲートにトランスファ信号６１３が入力されて第４トランジスタ６０６がオン状態に転じると、第１ノード６０７に信号レベルが伝達される。
この状態で、もし第３トランジスタ６０３がオフ状態を保持していると、第１ノード６０７に蓄積された信号電荷によって、第３トランジスタ６０３のソースに接続された第１ノード６０７の電位が変化する。これは、第１トランジスタ６０４のゲート電位の変化につながる。
第１トランジスタ６０４のゲート電位の変化は、第１トランジスタ６０４のソースまたは第２トランジスタ６０５のドレインと接続された第２ノード６０８のバイアスを変化させる。
また、信号電荷が蓄積される間、第３トランジスタ６０３のソースまたは第１トランジスタ６０４のソースの電位が変化する。このときに、第２トランジスタ６０５のゲートにロー選択信号入力端子を介してロー選択信号６１１が入力されると、フォトダイオード６０１で生成された信号電荷によって発生した電位差を、カラム選択ライン６１２側に出力する。
なお、フォトダイオード６０１の電荷生成によって発生した信号レベルを検出した後には、リセット信号入力端子からのリセット信号６１０によって第３トランジスタ６０３がオン状態に転じ、これにより、フォトダイオード６０１に蓄積された信号電荷は全部リセットされる。
上記の過程により４−トランジスタイメージ画素６００のイメージセンシングがなされてイメージ信号が出力されるが、フォトダイオード６０１で発生する暗電流ＩD1によってイメージにノイズが発生し、歪んだイメージ信号が出力されてしまう。
すなわち、実施例１におけると同様に、フォトダイオード６０１で暗電流ＩD1が発生し、この発生した暗電流ＩD1は、第１トランジスタ６０４で電圧に変換され、無信号時にも出力信号として働くので、この暗電流ＩD1によって生成された信号によって歪んだイメージ信号が出力されてしまう。
かかる問題点を解消するために、本実施例では、暗電流源の役割をするダークダイオード６０２をフォトダイオード６０１に直接接続することによって、フォトダイオード６０１で発生する暗電流を補償する。
すなわち、フォトダイオード６０１で発生する暗電流ＩD1のため、第３ノード６０９はイメージ出力に必要な一定電圧を維持できないが、ダークダイオード６０２の陽極端子を、フォトダイオード６０１の陰極端子と直接接続された第３ノード６０９に接続し、ダークダイオード６０２で発生する暗電流ＩD2を第３ノード６０９に補償することによって、第３ノード６０９がイメージ出力に必要な一定電圧を保持できるようにする。
また、実施例１と同様に、高温動作時において、フォトダイオード６０１で発生する暗電流ＩD1が増加しても、その増加量だけダークダイオード６０２の暗電流ＩD2も増加するので、高温動作における特性劣化を防止することが可能になる。
以上で説明した具体的な実施例は本発明を例示するためのもので、これら具体例に限定されず、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者にとっては、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の置換、変形及び変更が可能であり、これら置換、変更などは添付の特許請求の範囲に属するものとして理解されるべきである。
以上のように、本発明にかかるＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素は、高画質デジタルカメラ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃａｍｅｒａ）及びカムコーダ（Ｃａｍｃｏｒｄｅｒ）に有用であり、特に、高い低照度特性および高温動作特性が要求される場合に適している。
従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーとその周辺の素子を示す図である。 従来技術による３−トランジスタイメージ画素の回路構成図である。 従来技術による４−トランジスタイメージ画素の回路構成図である。 従来技術による暗電流を補償するためのイメージセンサーの構造を示す図である。 本発明の実施例１によるＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素の回路構成図である。 本発明の実施例２によるＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素の回路構成図である。
符号の説明
５００ 実施例１のイメージ画素
５０１，６０１ フォトダイオード
５０２，６０２ ダークダイオード
５０３，６０３ 第３トランジスタ
５０４，６０４ 第１トランジスタ
５０５，６０５ 第２トランジスタ
５０６，６０７ 第１ノード
５０７，６０８ 第２ノード
５０８，６１０ リセット信号
５０９，６１１ ロー選択信号
５１０，６１２ カラム選択ライン
６００ 実施例２のイメージ画素
６０６ 第４トランジスタ
６０９ 第３ノード
６１３ トランスファ信号

Claims (13)

  1. 第１ノード及び接地端子に接続され、入射する光によって信号を生成する光電変換素子と、
    前記第１ノード及び電源端子に接続されて暗電流を供給する電流源と、
    第２ノード、電源端子及び前記第１ノードに接続され、前記第１ノードに蓄積された信号電荷によって、前記第１ノードに接続されたノードの電位を変化させて前記第２ノードのバイアスを変化させる第１スイッチと、
    前記第１スイッチに接続され、ロー選択信号が印加されて、前記光電変換素子で生成された信号による電位差を、カラム選択ラインに出力する第２スイッチと、
    前記第１ノードと電源端子との間に接続され、リセット信号が印加されて、前記第１ノードに蓄積された信号電荷をリセットさせる第３スイッチ
    を備える、ＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  2. 前記光電変換素子はフォトダイオードであり、該フォトダイオードの陽極端子は接地端子と接続され、陰極端子は前記第１ノードに接続されることを特徴とする、請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  3. 前記電流源は、メタルで被覆されており、光が透過しないダークダイオードであり、前記ダークダイオードの陽極端子は、前記第１ノードに接続され、陰極端子は、電源端子に接続されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  4. 前記第１スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートは前記第１ノードに接続され、ドレインは電源端子に接続され、ソースは前記第２ノードに接続されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  5. 前記第２スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはロー選択信号が印加され、ドレインは前記第２ノードに接続され、ソースはカラム選択ラインに接続されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  6. 前記第３スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはリセット信号が印加され、ドレインは電源端子に接続され、ソースは前記第１ノードに接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  7. 第３ノードと接地端子に接続され、入射する光によって信号を生成する光電変換素子と、
    前記第３ノード及び電源端子に接続されて暗電流を供給する電流源と、
    第２ノード、電源端子及び第１ノードに接続され、前記第１ノードに蓄積された信号電荷によって、前記第１ノードに接続されたノードの電位を変化させて前記第２ノードのバイアスを変化させる第１スイッチと、
    前記第１スイッチに接続され、ロー選択信号が印加されて、前記光電変換素子で生成された信号による電位差を、カラム選択ラインに出力する第２スイッチと、
    前記第１ノードと電源端子との間に接続され、リセット信号が印加されて、前記第１ノードに蓄積された信号電荷をリセットさせる第３スイッチと、
    前記第１ノード及び第３ノードに接続され、トランスファ信号が印加されて、前記光電変換素子で生成された信号電荷をトランスファさせる第４スイッチ
    を備える、ＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  8. 前記光電変換素子はフォトダイオードであり、該フォトダイオードの陽極端子は接地端子に接続され、陰極端子は前記第３ノードに接続されることを特徴とする、請求項７に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  9. 前記電流源は、メタルで被覆されており、光が透過しないダークダイオードであり、該ダークダイオードの陽極端子は前記第３ノードに接続され、陰極端子は電源端子に接続されることを特徴とする、請求項７又は８に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  10. 前記第１スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートは前記第１ノードに接続され、ドレインは電源端子に接続され、ソースは前記第２ノードに接続されることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  11. 前記第２スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはロー選択信号が印加され、ドレインは前記第２ノードに接続され、ソースはカラム選択ラインに接続されることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一項に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  12. 前記第３スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはリセット信号が印加され、ドレインは電源端子に接続され、ソースは前記第１ノードに接続されることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか一項に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
  13. 前記第４スイッチはトランジスタであり、該トランジスタのゲートにはトランスファ信号が印加され、ドレインは前記第１ノードに接続され、ソースは前記第３ノードに接続されることを特徴とする、請求項７〜１２のいずれか一項に記載のＣＭＯＳイメージセンサーのイメージ画素。
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