JP2007228017A

JP2007228017A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2007228017A
Application number: JP2006043536A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Hagiwara; 義雄萩原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】リセットトランジスタの一端を出力信号線に接続した３Ｔr.構成の画素を用い、低電圧化や、電源電圧はそのままの場合には、広ダイナミックレンジ化を図れる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】フォトダイオードPDと、生成電荷を電荷蓄積部FDに転送する転送トランジスタM1と、電荷蓄積部の蓄積信号電荷に応じた信号を増幅する増幅トランジスタM3と、一端が垂直信号線に接続されリセットパルスにより電荷蓄積部を垂直信号線の電位に対応する所定電位にリセットするディプリッション型リセットトランジスタM2とで構成した画素100 と、電源線をローレベル設定後にハイインピーダンス状態に、垂直信号線をハイレベルに設定した後、リセットパルスを印加した後に増幅トランジスタの電源線側に現れる信号の電位レベルが所定の電位レベルとなる追随時間よりも短く設定されたパルス幅を有するパルスをリセットパルスとして印加する制御部200 とを設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は固体撮像装置に関し、特に、低電圧にて駆動すること、あるいは電源電圧はそのままの場合には、広いダイナミックレンジを取ることが可能な固体撮像装置に関する。

固体撮像装置としては、これまでにＭＯＳ型やＣＣＤ型など様々な方式のものが提案され、実用化されるに至っている。また、ＭＯＳ型の中には、電荷生成部で生成された信号電荷に応じた画素信号を生成する画素信号生成部に増幅用の駆動トランジスタを有する増幅型固体撮像素子（ＡＰＳ：Active Pixel Sensor ）構成の画素を備えた、所謂増幅型固体撮像装置がある。例えば、ＣＭＯＳ型固体撮像装置の多くはそのような構成を備えている。このような構成の増幅型固体撮像装置において、画素信号を外部に読み出す手法は、複数の単位画素が配列されている画素部に対してアドレス制御をし、個々の単位画素からの信号を任意に選択して実現している。

また、トランジスタが占める面積を少なくすることで画素サイズを小さくする画素構成として、光電変換素子（例えばフォトダイオードＰＤ）と３つのトランジスタで単位画素を構成する３トランジスタ型画素構成（以下、３Ｔr.構成とも言う）が提案されている（例えば特許文献１参照）。更に、３Ｔr.構成の画素において、低電圧駆動あるいは（電源電圧はそのままで）広ダイナミックレンジ駆動を実現する駆動方法が提案されている（特許文献２参照）。
特許第２７０８４５５号公報特開２００５−８６５９５号公報

しかしながら、図１に示すようなリセットトランジスタの一端を出力信号線（垂直信号線）側に接続した３Ｔr.構成の画素において、低電圧駆動あるいは（電源電圧はそのままで）広ダイナミックレンジ駆動するには、特許文献２に示されている方法をそのまま用いることはできない。このため、図１に示す回路構成の３Ｔr.構成の画素を用いた場合には、低電圧化できない、あるいは、（電源電圧はそのままの場合には）広ダイナミックレンジが取れない、という問題が生じる。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、画素構成が図１に示すようなリセットトランジスタの一端を出力信号線側に接続した３Ｔr.構成の場合においても、低電圧化や、電源電圧はそのままの場合には、広ダイナミックレンジ化を図ることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、入射された電磁波に対応する信号電荷を生成する電荷生成部、及び該電荷生成部により生成された信号電荷を電荷蓄積部に転送するための信号転送手段をサブユニットとして少なくとも１つ以上含み、更に、一端が電源線を介して電源に、他端が出力信号線に各々接続され、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷に応じた単位信号を前記他端に出力する単位信号生成部、及び一端が前記出力信号線に接続され、リセットパルスにより該電荷蓄積部を前記出力信号線の電位に対応する所定電位にリセットするリセット部をユニットとして複数、マトリクス状に配置されたイメージ部と、前記電源線をローレベル設定後にハイインピーダンス状態に、前記出力信号線の電位レベルをハイレベルに各々設定した後、前記リセットパルスを印加した後に前記単位信号生成部の前記電源線側に現れる信号の電位レベルが所定の電位レベルとなる追随時間よりも短く設定されたパルス幅を有するパルスを前記リセットパルスとして印加する制御部とを備えて、固体撮像装置を構成するものである。

この請求項１に係る発明の実施例には、実施例１が対応する。そして、このように構成された固体撮像装置においては、電源線をローレベル設定後にハイインピーダンス状態に、出力信号線の電位レベルをハイレベルに各々設定した後、リセットパルスを印加した後に前記単位信号生成部の前記電源線側に現れる信号の電位レベルが所定の電位レベルとなる追随時間よりも短く設定されたパルス幅を有するパルスが、リセットパルスとしてリセット部に印加されるので、電源線に現れる電位レベルによるブート効果により電荷蓄積部の電位が昇圧され、低電圧駆動、あるいは、電源電圧はそのままの場合には広ダイナミックレンジ駆動が可能になる。

請求項２に係る発明は、入射された電磁波に対応する信号電荷を生成する電荷生成部、及び該電荷生成部により生成された信号電荷を電荷蓄積部に転送するための信号転送手段をサブユニットとして少なくとも１つ以上含み、更に、一端が電源線を介して電源に、他端が出力信号線に各々接続され、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷に応じた単位信号を前記他端に出力する単位信号生成部、及び一端が前記出力信号線に接続され、リセットパルスにより該電荷蓄積部を前記出力信号線の電位に対応する所定電位にリセットするリセット部をユニットとして複数、マトリクス状に配置されたイメージ部と、前記電源線をローレベル設定後にハイインピーダンス状態に、前記出力信号線の電位レベルをハイレベルに各々設定した後、前記電荷蓄積部の電位を、前記ハイレベルより低く、且つ前記ローレベルより高い電位レベルとするパルスを前記リセットパルスとして印加する制御部とを備えて、固体撮像装置を構成するものである。

この請求項２に係る発明の実施例には、実施例２が対応する。そして、このように構成された固体撮像装置においては、電源線をローレベル設定後にハイインピーダンス状態に、出力信号線の電位レベルをハイレベルに各々設定した後、電荷蓄積部の電位レベルを、前記ハイレベルより低く、且つ前記ローレベルより高い電位レベルとするパルスをリセットパルスとして印加するので、リセットパルスの印加中、電荷蓄積部の電位レベルをハイレベルとローレベルとの間の電位レベルに保つことが可能となり、その後電源線に現れる電位レベルによるブート効果により電荷蓄積部の電位が昇圧され、リセットパルスの印加時間を詳細に制御することなしに、低電圧駆動、あるいは電源電圧はそのままの場合には広ダイナミックレンジ駆動が可能になる。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る固体撮像装置において、前記制御部は、前記リセットパルスを、前記リセットパルスを印加した後に前記単位信号生成部の前記電源線側に現れる電位レベルが少なくとも前記所定の電位レベルとなる期間、印加することを特徴とするものである。

この請求項３に係る発明の実施例には、実施例２が対応する。そして、このように構成された固体撮像装置においては、リセットパルスが、リセットパルスを印加した後に前記単位信号生成部の前記電源線側に現れる電位レベルが少なくとも前記所定の電位レベルとなる期間、印加されるので、画素間あるいは画素列間での低電圧駆動、あるいは電源電圧はそのままの場合には広ダイナミックレンジ駆動の効果のバラツキを低減できる。

本発明によれば、一端を出力信号線に接続したリセットトランジスタを含む構成の画素を用いた場合においても、低電圧動作あるいは同じ電源電圧であればダイナミックレンジの広い動作が可能な固体撮像装置を提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

以下、本発明に係る固体撮像装置の実施例について、図を参照しながら説明する。
（実施例１）
図１の（Ａ）は、実施例１に係る固体撮像装置の画素部の構成を示す回路構成図である。この実施例１は請求項１に係る発明に対応するもので、次に、その構成について説明する。図１の（Ａ）において、 100は画素で、該画素100 は入射された電磁波（光）に対応する信号電荷を生成するフォトダイオードＰＤ、該フォトダイオードＰＤで生成された電荷を蓄積するための電荷蓄積部ＦＤ、該生成された電荷を前記電荷蓄積部ＦＤに転送するための転送トランジスタＭ１，前記電荷蓄積部ＦＤをリセットするためのリセットトランジスタＭ２，前記電荷蓄積部ＦＤの電荷に応じた信号を増幅するための増幅トランジスタＭ３，及び各ライン（電源線10，垂直信号線20，リセットパルスライン30，転送パルスライン40）で構成されており、リセットトランジスタＭ２のソースは電荷蓄積部ＦＤに、ドレインは垂直信号線20にそれぞれ接続されており、増幅トランジスタＭ３のドレインは電源線10に、ソースは垂直信号線20にそれぞれ接続されている。また、図１の（Ａ）において、 200は前記各ラインを制御するための制御部である。なお、本実施例においては、リセットトランジスタＭ２はディプリッション型（あるいはそれと同等な特性のトランジスタ）を想定している。そして、上記構成の画素を複数個マトリクス状に配置してイメージ部を構成している。

次に、図１の（Ａ）に示した実施例１の動作を、図１の（Ｂ）に示すタイミングチャートに基づいて説明する。まず、時刻ｔ１で電源線10をＬowレベルにすると共に垂直信号線20をＨigh レベルにし、時刻ｔ２で電源線10をハイインピーダンス状態とする。ここで、電源線10のＬowレベルとは例えばグランド電圧ＶＳＳと電源電圧ＶＤＤとの間の電圧が望ましく、垂直信号線20のＨigh レベルとは例えば電源電圧ＶＤＤが望ましい。また、電源線10をハイインピーダンス状態にするには、電源線10と電源ＶＤＤとの間にスイッチを設け、該スイッチをＯＦＦすることにより容易に実現できる。

次に、時刻ｔ３〜ｔ４の期間、リセットパルスをＨigh にする。これにより、電荷蓄積部ＦＤの電位が、垂直信号線20のＨigh レベル、すなわち電源電圧ＶＤＤに略等しい電圧にリセットされる。その後、電荷蓄積部ＦＤは時刻ｔ４〜ｔ５の期間、電源線10に現れる信号追随によるブート効果により、電源電圧ＶＤＤより更に高い電圧に昇圧されることになる。これは、リセットパルス時間幅ｔ３〜ｔ４を、リセット動作に対応して電源線側に現れるリセット追随時間ｔ４〜ｔ５（実際はｔ３〜ｔ５）より有意に短くすることにより実現される。時刻ｔ６で電源線10をＨigh レベルにし、リセットレベルを読み出す。その後、転送パルスライン40をＨigh にすることにより、フォトダイオードＰＤの電荷を電荷蓄積部ＦＤに転送（時刻：ｔ７〜ｔ８）し、信号レベルを読み出す（時刻：ｔ８〜ｔ９）。次に、本発明には直接関係していないため図示してはいないが、得られたリセットレベルと信号レベルとをＣＤＳ回路等を用いることにより、信号成分を取り出す。最後に、時刻ｔ９で垂直信号線20をＬowレベルにし、時刻ｔ10〜ｔ11の期間再びリセットパルスをＨigh にすることにより、電荷蓄積部ＦＤの電位をＬowレベルにする。この再リセット時における電源線10は、ハイインピーダンスあるいはＬowレベル等にすることが望ましい（図１の（Ｂ）に示した例では、ハイインピーダンスとしている）。その後時刻ｔ12において、電源線10がＨigh レベルの場合、垂直信号線20に電流が流れないように垂直信号線20をハイインピーダンス状態にする。

以上説明したように、リセットパルス時間幅の期間Δｔ３（＝ｔ３〜ｔ４）をリセット追随期間Δｔ４（＝ｔ４〜ｔ５）より有意に短くすることにより、電源線10側に現れる信号追随によるブート効果により、電荷蓄積部ＦＤの電位を電源電圧ＶＤＤより高い電圧にすることが可能になる。これは、低電圧動作あるいは同じ電源電圧であればよりダイナミックレンジの広い動作が可能なことを意味している。

（実施例２）
次に、実施例２について説明する。図２の（Ａ）は、実施例２に係る固体撮像装置の画素部の構成を示す回路構成図であり、図１の（Ａ）に示した実施例１と基本構成は同じであるが、再度図示説明することとする。なお、この実施例２は請求項２及び３に係る発明に対応するものである。図２の（Ａ）において、 100は画素で、該画素100 は、入射された電磁波（光）に対応する信号電荷を生成するフォトダイオードＰＤ、該フォトダイオードＰＤで生成された電荷を蓄積するための電荷蓄積部ＦＤ、該生成された電荷を前記電荷蓄積部ＦＤに転送するための転送トランジスタＭ１，前記電荷蓄積部ＦＤをリセットするためのリセットトランジスタＭ２′，前記電荷蓄積部ＦＤの電荷に応じた信号を増幅するための増幅トランジスタＭ３，及び各ライン（電源線10，垂直信号線20，リセットパルスライン30，転送パルスライン40）で構成されており、 200は各ラインを制御するための制御部である。なお、本実施例においては、図１の（Ａ）に示した実施例１とは異なり、リセットトランジスタＭ２′は少なくともディプリッション型ではないトランジスタを想定している。

次に、図２の（Ａ）に示した実施例２の動作を、図２の（Ｂ）に示すタイミングチャートに基づいて説明する。まず、時刻ｔ１で電源線10をＬowレベルにすると共に垂直信号線20をＨigh レベルにし、時刻ｔ２で電源線10をハイインピーダンス状態とする。ここで、電源線10のＬowレベルとは例えばグランド電圧ＶＳＳと電源電圧ＶＤＤとの間の電圧が望ましく、垂直信号線20のＨigh レベルとは例えば電源電圧ＶＤＤが望ましい。また、電源線10をハイインピーダンス状態にするには、電源線10と電源ＶＤＤとの間にスイッチを設け、該スイッチをＯＦＦすることにより容易に実現できる。次に、時刻ｔ３〜ｔ４の期間、リセットパルスをＨigh にする。これにより、電荷蓄積部ＦＤの電位が所定の電圧範囲内で閾値落ちする。ここで所定の電圧範囲とは、例えば電源電圧ＶＤＤ− 0.5Ｖと電源電圧ＶＤＤとの間が望ましい。また、この期間はある程度長い時間であることが望ましい。

その後、時刻ｔ５で電源線10をＬowレベルにした後、直後の時刻ｔ６で電源線10をＨigh レベルにし、リセットレベルを読み出す。その後、転送パルスライン40をＨigh にすることによりフォトダイオードＰＤの電荷を電荷蓄積部ＦＤに転送（時刻：ｔ７〜ｔ８）し、信号レベルを読み出す（時刻：ｔ８〜ｔ９）。次に、本発明には直接関係していないため図示してはいないが、得られたリセットレベルと信号レベルとをＣＤＳ回路等を用いることにより、信号成分を取り出す。最後に、時刻ｔ９で垂直信号線20をＬowレベルにし、時刻ｔ10〜ｔ11の期間再びリセットパルスをＨigh にすることにより、電荷蓄積部ＦＤの電位をＬowレベルにする。この再リセット時における電源線10は、ハイインピーダンスあるいはＬowレベル等にすることが望ましい（図２の（Ｂ）に示した例では、ハイインピーダンスとしている）。その後時刻ｔ12において、電源線10がＨigh レベルの場合、垂直信号線20に電流が流れないように垂直信号線20をハイインピーダンス状態にする。

以上説明したように、リセットパルス時間幅の期間Δｔ３（＝ｔ３〜ｔ４）を、電荷蓄積部ＦＤの電位がほぼ閾値落ちする時間よりもある程度長くとることにより、電源線側に現れる信号追随によるブート効果により、電荷蓄積部ＦＤの電位を電源電圧ＶＤＤより高い電圧にすることが可能になる。これは、低電圧動作あるいは同じ電源電圧であればよりダイナミックレンジの広い動作が可能なことを意味している。

上記の各実施例では、図１の（Ａ）あるいは図２の（Ａ）に示すように所謂３Ｔr.構成の画素、つまり各画素が３トランジスタで構成したものを用いて説明しているが、本発明は上記実施例に示した画素構成のものに限定されない。例えば、図３の（Ａ）あるいは図３の（Ｂ）に示すように、電荷蓄積部ＦＤ、リセットトランジスタＭ２又はＭ２′，及び増幅トランジスタＭ３を、２画素あるいはそれ以上の画素で共有した構成のものにも同様に適用できる。なお、図３の（Ａ），（Ｂ）において、 100-1， 100-2は、第１の画素、第２の画素、ＰＤ-1，ＰＤ-2は第１及び第２のフォトダイオード、Ｍ１-1，Ｍ１-2は第１及び第２の画素の転送トランジスタ、40-1，40-2は第１及び第２の転送パルスラインをそれぞれ示している。

本発明に係る固体撮像装置の実施例１の画素部の構成を示す回路構成図及びその動作を説明するためのタイミングチャートである。本発明の実施例２に係る固体撮像装置の画素部の構成を示す回路構成図及びその動作を説明するためのタイミングチャートである。図１及び図２に示した実施例の変形例を示す画素部の回路構成図である。

符号の説明

10 電源線
20 垂直信号線
30 リセットパルスライン
40 転送パルスライン
100 画素
200 制御部
ＰＤフォトダイオード
Ｍ１転送トランジスタ
Ｍ２リセットトランジスタ（ディプリッション型）
Ｍ2 ′ リセットトランジスタ（ディプリッション型ではない）
Ｍ３増幅トランジスタ
ＦＤ電荷蓄積部

Claims

入射された電磁波に対応する信号電荷を生成する電荷生成部、及び該電荷生成部により生成された信号電荷を電荷蓄積部に転送するための信号転送手段をサブユニットとして少なくとも１つ以上含み、更に、一端が電源線を介して電源に、他端が出力信号線に各々接続され、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷に応じた単位信号を前記他端に出力する単位信号生成部、及び一端が前記出力信号線に接続され、リセットパルスにより該電荷蓄積部を前記出力信号線の電位に対応する所定電位にリセットするリセット部をユニットとして複数、マトリクス状に配置されたイメージ部と、
前記電源線をローレベル設定後にハイインピーダンス状態に、前記出力信号線の電位レベルをハイレベルに各々設定した後、前記リセットパルスを印加した後に前記単位信号生成部の前記電源線側に現れる信号の電位レベルが所定の電位レベルとなる追随時間よりも短く設定されたパルス幅を有するパルスを前記リセットパルスとして印加する制御部とを有する固体撮像装置。
入射された電磁波に対応する信号電荷を生成する電荷生成部、及び該電荷生成部により生成された信号電荷を電荷蓄積部に転送するための信号転送手段をサブユニットとして少なくとも１つ以上含み、更に、一端が電源線を介して電源に、他端が出力信号線に各々接続され、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷に応じた単位信号を前記他端に出力する単位信号生成部、及び一端が前記出力信号線に接続され、リセットパルスにより該電荷蓄積部を前記出力信号線の電位に対応する所定電位にリセットするリセット部をユニットとして複数、マトリクス状に配置されたイメージ部と、
前記電源線をローレベル設定後にハイインピーダンス状態に、前記出力信号線の電位レベルをハイレベルに各々設定した後、前記電荷蓄積部の電位を、前記ハイレベルより低く、且つ前記ローレベルより高い所定の電位レベルとするパルスを前記リセットパルスとして印加する制御部とを有する固体撮像装置。
前記制御部は、前記リセットパルスを、前記リセットパルスを印加した後に前記単位信号生成部の前記電源線側に現れる電位レベルが少なくとも前記所定の電位レベルとなる期間、印加することを特徴とする請求項２に係る固体撮像装置。