JP2007335976A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】６０℃以下の比較的低温の環境においても十分な効果が得られ、出力特性を容易に調整することができ、暗電流により発生する黒レベルのオフセット分に相当する基準電位を出力する回路を備える固体撮像装置を提供する。
【解決手段】受光量に応じた信号電位を出力する通常画素（単位セル）が、１次元、又は２次元状に複数個配列されている固体撮像装置であって、前記通常画素と同等の温度依存性を有し、前記通常画素における無信号時の再生レベルと等価な基準電位を出力する基準電位出力回路７と、外部からなされる設定に応じて、基準電位出力回路７の出力特性を制御する出力制御回路８とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＯＳ型固体撮像素子に関し、特に、黒レベルの温度依存性による悪影響を低減する技術に関する。

近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話等の撮像機器が一般に普及している。
これらの撮像機器は、軽量化及び連続使用時間を延ばす為に消費電力を抑える必要があるので、ＣＣＤ型撮像素子と比べ消費電力が著しく低いＭＯＳ型固体撮像素子を搭載しているものが増えている。
従来の一般的なＭＯＳ型固体撮像素子には、光を遮断した状態でも電荷が生じて暗電流が発生し、検出結果に悪影響を及ぼすという問題がある。

暗電流が発生する主な原因は２つあり、一つはＰ型ウェル層とフォトダイオード間におけるＰＮ接合の空乏層内で熱的に励起される再結合電流に因るものであり、もう一つはフォトダイオードにおけるシリコンの結晶欠陥などによって生じるリーク電流に因るものである。
前者の再結合電流をＩ１とし、後者のリーク電流をＩ２とすると、これらは以下の式で表される。

Ｉ１＝Ａ（ｅｘｐ（−Ｅｇ／２ｋＴ））^２ ・・・式１
Ｉ２＝Ｂ ｅｘｐ（−ｑＥｇ／２ｋＴ） ・・・式２
ここで、Ａ，Ｂは固体撮像素子定数、Ｅｇはエネルギー準位、Ｔは絶対温度、ｋはボルツマン定数、ｑは電子の電荷である。
このような暗電流の発生により、無信号時の再生レベルに相当する黒レベルがオフセットをもつこととなる。

また式１及び式２から明らかなように、暗電流は温度変化にともない指数関数的に過敏に変動するため、黒レベルは温度に大きく依存する。
そこで、有効領域外の一部の画素をアルミなどの遮光膜で遮光して、その出力を有効領域内の画素の出力から差し引くことにより、上記オフセット分をキャンセルするという従来技術がある。

一方、画素数の増加やレスポンスの向上のため、固体撮像素子の高感度化の要請がある。
ところが、上記従来技術では、アルミ層のエッチングや色フィルタの貼付の際における製造誤差などの影響で、画素間における暗電流の値のばらつきが十分な範囲内に揃わないという問題が生じる。

そこで、特許文献１に、外部回路に温度検出用ダイオードを設け、温度検出用ダイオードによる逆飽和電流を用いて、黒レベルの変動分を補正することにより、黒レベルの温度依存性を低減する技術が開示されている。
一方ＭＯＳ型撮像素子には、ラインセレクトトランジスタを備えずに、リセットトランジスタ、リードトランジスタ、及び電源端子に与えるパルスのタイミングにより行の選択を行い、トランジスタ数を減らして画素密度を上げたタイプがある（特許文献２、特許文献３）。
特開平１−３０５６７３号公報 特開２００３−４６８６４号公報 特開２００４−３１２４７２号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、６０℃程度以上の環境においては十分な効果が得られるものの、６０℃程度以下の環境においては十分な効果が得られないという問題がある。
なぜなら、６０℃程度以上の比較的高温の環境においては、暗電流の起源はＰＮ接合によるリーク電流が支配的となり、暗電流の変動分が上記特許文献１に示された方法で用いたダイオードの逆飽和電流とほぼ等価となるが、６０℃以下の比較的低温の環境においては、暗電流の起源はシリコンの結晶欠陥などのリーク電流が支配的となるため、黒レベルに誤差が生じるからである。

さらに、上記特許文献１では、温度検出用ダイオードによる逆飽和電流が上記黒レベルの変動分と等価でない場合には、当該逆飽和電流を調整する必要が生じるが、温度検出用ダイオードの出力特性は容易に調整できず、再度製造し直さなければならないという問題がある。
本発明は、６０℃以下の比較的低温の環境においても十分な効果が得られ、出力特性を容易に調整することができ、暗電流により発生する黒レベルのオフセット分に相当する基準電位を出力する回路を備える固体撮像装置、及び当該固体撮像装置を備えるデジタルカメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、受光量に応じた信号電位を出力する通常画素が、１次元、又は２次元状に複数個配列されている固体撮像装置であって、前記通常画素と同等の温度依存性を有し、前記通常画素における無信号時の再生レベルと等価な基準電位を出力する基準電位出力回路と、外部からなされる設定に応じて、基準電位出力回路の出力特性を制御する出力制御回路とを備えることを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るデジタルカメラは、上記記載の固体撮像装置と、前記通常画素により出力される信号電位から前記基準電位出力回路により出力される基準電位を差し引いて暗電流による影響を排除する信号処理装置とを備えることを特徴とする。

課題を解決するための手段に記載した構成により、基準電位出力回路の出力特性を外部から設定できるので、素子の製造後であっても容易に、通常画素の黒レベルの出力と等価な基準電位を出力することができる。
従って、６０℃以下の比較的低温の環境においても、黒レベルのオフセット分を従来よりも正確に補正することができるので、黒レベルの温度依存性を低減させることができる。

ここで、固体撮像装置において、前記基準電位出力回路は、温度検出素子として設けられた単体又は複数の温度検出トランジスタと、前記温度検出トランジスタにおいて生じるドレイン電流に相当する電荷を放電する単体又は複数のコンデンサと、前記コンデンサを初期電位に充電する単体又は複数の充電トランジスタと、前記コンデンサの電荷を増幅して、基準電位として出力する増幅回路とからなることを特徴とすることもできる。

これにより、充電トランジスタによりコンデンサを初期電位に充電した後で、温度検出トランジスタが通常画素と同様の温度特性の基に電荷を発生し、この電荷がコンデンサにたまり、たまった電荷を増幅回路を増幅して基準電位として出力することができる。
ここで、固体撮像装置において、前記出力制御回路は、前記温度検出トランジスタのゲート電圧の設定を外部から受け付けることにより、ドレイン電流を制御して、前記基準電位出力回路に前記等価な基準電位を出力させることを特徴とすることもできる。

これにより、温度検出トランジスタのゲート電圧を外部から設定できるので、製造後に容易に、温度検出トランジスタの温度特性を、通常画素と同様の温度特性に制御することができる。
ここで、固体撮像装置において、前記出力制御回路は、前記充電トランジスタを介して供給される初期電位の設定を外部から受け付けることにより、前記コンデンサに充電される初期電位を制御して、前記基準電位出力回路に前記等価な基準電位を出力させることを特徴とすることもできる。

これにより、初期電位を外部から設定できるので、製造後に容易に、温度検出トランジスタの温度特性を、通常画素と同様の温度特性に制御することができる。
ここで、固体撮像装置において、前記基準電位出力回路は、前記コンデンサを初期電位に充電した直後から基準電位として出力されるまでの放電時間が、前記通常画素における電荷蓄積時間と略同一となるように調整されていることを特徴とすることもできる。

これにより、温度検出トランジスタが電荷を発生し電荷を蓄積する時間と、通常画素における電荷蓄積時間とが同一となるので、通常画素の黒レベルのオフセット分と基準電位出力回路の出力とが等価となるように容易に制御することができる。
ここで、デジタルカメラにおいて、上記記載の固体撮像装置と、前記通常画素により出力される信号電位から前記基準電位出力回路により出力される基準電位を差し引いて暗電流による影響を排除する信号処理装置とを備えることを特徴とすることもできる。

（実施の形態１）
＜概要＞
本発明の実施の形態１は、ＭＯＳ型撮像素子において、通常画素と同等の温度依存性を有しつつ、通常画素において発生する暗電流による黒レベルのオフセット分と同等の電位を出力する出力回路と、出力回路の電位レベルや温度依存性等の出力特性の調整を外部から容易に行うことができる調整回路とを備えることにより、６０℃以下の比較的低温の環境においても、通常画素の黒レベルのオフセット分と出力回路の出力とを容易に等価に調整することができる固体撮像装置を備えるデジタルカメラである。

＜構成＞
図１は、本発明の実施の形態１におけるデジタルカメラ２００の概要を示す図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態１におけるデジタルカメラ２００は、静止画を撮影することができる撮像装置であって、固体撮像装置２０１、及び制御装置２０２を備える。

固体撮像装置２０１は、レンズを通過した光が被写体像を結像する位置に配置され、受光量に応じた信号電位を出力する単位セルが複数個配列されている半導体素子である。
図２は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置２０１の概略構成を示す図である。
図２に示すように、本発明の実施の形態１の固体撮像装置２０１は、画素部１、負荷回路２、電子シャッタ走査回路３、出力行選択走査回路４、水平走査回路５、信号処理部６、基準電位出力回路７、出力制御回路８、及び信号増幅回路９から構成される。

画素部１は、受光量に応じた信号電位を出力する通常画素である単位セルが、１次元又は２次元上に配列された撮像領域である。ここでは、５×５の２次元上に配列された２５画素の場合を例に取って説明するが、実際の画素数は、１次元で数千個、２次元で数十万〜数百万個程度である。
負荷回路２は、縦１列毎に同一の回路が１個接続されており、出力電圧を読み出す為に、列単位で画素部１の画素に負荷をかける回路である。

電子シャッタ走査回路３は、横１行毎に、“垂直選択信号”の制御線を備え、画素部１の画素に対して、行単位で、リセットトランジスタを制御する。
出力行選択走査回路４は、横１行毎に、“垂直読み出し信号”の制御線を備え、画素部１の画素に対して、行単位で、リードトランジスタを制御する。
水平走査回路５は、列及び基準電位出力回路７を順次選択するエンコーダである。

信号処理部６は、縦１列毎に同一の回路が１個接続されており、画素部１からの列単位の出力を処理して、順次出力する。
基準電位出力回路７は、画素部１の各単位セルと同等の温度依存性を有し、各単位セルにおいて発生する暗電流による黒レベルのオフセット分と同等の基準電位を出力する。
出力制御回路８は、基準電位出力回路７により出力される基準電位の電位レベルや温度依存性等の出力特性の設定を外部から受け付け、黒レベルのオフセット分と基準電位とが等価となるように制御される。

信号増幅回路９は、信号処理部６の出力に、外部に出力する為に必要な変換を施して出力する。
なお、画素部１、負荷回路２、信号処理部６、基準電位出力回路７、及び出力制御回路８の回路構成については後述する。
図３は、実施の形態１の固体撮像装置２０１の回路構成の概略を示す図である。

図３に示すように、実施の形態１の固体撮像装置２０１は、負荷回路１００、画素回路１１０、信号処理回路１２０を備える。
負荷回路１００は、図２の負荷回路２中の１個の回路を記載したものであり、第１信号出力線とＧＮＤとの間に接続された負荷用トランジスタ１０１を含み、負荷電圧（ＬＧ）が供給される。

画素回路１１０は、図２の画素部１中の１個の単位セルを記載したものであり、初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを第１信号出力線に出力することを特徴とし、入射した光を光電変換して電荷を発生して蓄積し、蓄積した電荷を電圧信号として出力するフォトダイオード等の受光素子１１１と、受光素子１１１により発生した電荷を蓄積する検出部１１２と、検出部１１２の示す電圧が初期電圧（ここではＶＤＤ）になるようにリセットするリセットトランジスタ１１３と、受光素子１１１により出力される電荷を検出部１１２に供給するリードトランジスタ１１４と、検出部１１２の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅用トランジスタ１１５とを含む。

ＶＤＤＣＥＬＬは、周期的にＨｉ電位（ＶＤＤ）とＬｏ電位（ＧＮＤ）とを繰り返す電源入力である。
信号処理回路１２０は、図２の信号処理部６中の縦１列用の１個の回路を記載したものであり、当該単位セルにより出力されるリセット電圧と当該リード電圧との差分を示す信号電位を出力することを特徴とし、第１信号出力線と第２信号出力線との間に直列に接続されたサンプリングトランジスタ１２１及びクランプ容量１２２と、第２信号出力線とＧＮＤとの間に直列に接続されたサンプリング容量１２３と、第２信号出力線と基準電圧端子（ここではＶＤＤ）との間に直列に接続されたクランプトランジスタ１２４と、クランプ容量１２２と並列に接続されている。

ここで、画素回路１１０には、制御装置２０２からリセットパルス（初期化信号：ＲＥＳＥＴ）、リードパルス１（読み出しパルス１：ＲＥＡＤ１）、及び、リードパルス２（読み出しパルス２：ＲＥＡＤ２）が、信号処理回路１２０には、サンプリングパルス（ＳＰ）、及び、クランプパルス（ＣＰ）が決められたタイミングで供給され、これら各制御パルスにそれぞれ対応するトランジスタが開閉（ＯＦＦ／ＯＮ）される。

図４は、基準電位出力回路７、及び出力制御回路８の回路構成の概略を示す図である。
図４に示すように、基準電位出力回路７は、負荷用トランジスタ１０、温度検出トランジスタ１１、放電用コンデンサ１２、充電用トランジスタ１３、増幅用トランジスタ１４、及び選択用トランジスタ１５からなり、また出力制御回路８は、可変抵抗１６と固定抵抗１７とからなるゲート電圧調整回路１８、及び可変抵抗１９と固定抵抗２０とからなる充電電圧調整回路２１からなる。

負荷用トランジスタ１０は、出力線とＧＮＤとの間に接続されており、ゲートに負荷電圧（ＬＧ）が供給され、基準電位を読み出す為に負荷をかけるものである。
温度検出トランジスタ１１は、放電用コンデンサ１２とＧＮＤとの間に接続され、ゲートに充電電圧調整回路２１の出力が接続され、温度検出素子として設けられており、弱反転領域におけるドレイン電流Ｉｄは、各単位セルにおいて発生する暗電流と同様に、温度変化にともない指数関数的に変動する。

放電用コンデンサ１２は、暗電流に相当する電荷を保持するものであり、初期電位に充電された後、温度検出トランジスタ１１において生じるドレイン電流Ｉｄに相当する電荷が放電される。
充電用トランジスタ１３は、放電用コンデンサ１２と充電電圧調整回路２１との間に接続され、ゲートに基準電位出力回路リセット信号が入力されると、放電用コンデンサ１２が初期電位に充電される。

増幅用トランジスタ１４は、放電用コンデンサ１２の電荷を増幅して、基準電位として出力する。
選択用トランジスタ１５は、出力最終段に接続され、ゲートに基準電位出力回路出力信号が入力されると基準電位が読み出される。
ゲート電圧調整回路１８は、Ｖｇ−ＧＮＤ間に可変抵抗１６と固定抵抗１７とが直列に接続され、可変抵抗１６と固定抵抗１７との接続ノードが温度検出トランジスタ１１のゲートに接続されたものであり、可変抵抗１６の抵抗値可変端子が外部入力ピンに配線されているので、温度検出トランジスタ１１のゲート電圧を外部から調整することができる。

充電電圧調整回路２１は、Ｖｄｓ−ＧＮＤ間に可変抵抗１９と固定抵抗２０とが直列に接続され、可変抵抗１９と固定抵抗２０との接続ノードが充電用トランジスタ１３のソースに接続されたものであり、可変抵抗１９の抵抗値可変端子が外部入力ピンに配線されているので、放電用コンデンサ１２の充電電圧を外部から調整することができる。
制御装置２０２は、固体撮像装置２０１に制御信号を供給して駆動及び制御する半導体素子及びその周辺回路であり、外部から撮影指示が入力されるのを待ち、撮影指示が入力されると、適切な露光時間の経過後に全ての単位セルから順次信号電位と基準電位とを読み出させ、また、各単位セルにより出力される信号電位から、基準電位出力回路７により出力される基準電位を差し引いて、暗電流による影響を排除する。

＜動作＞
図５は、信号電位と基準電位とを出力する際のタイミングチャートを示す図である。
ここで本発明の固体撮像装置における他の詳細な動作は、特許文献２、及び特許文献３に示された従来の固体撮像装置と同様である。
以下に図５を用いて、処理の手順を説明する。

（１）電子シャッタ走査回路３にスタート信号が入力される１ラインクロック前（ｔ１）に、基準電位出力回路リセット信号が出力されて、基準電位出力回路７がリセットされる。
（２）次に、電子シャッタ走査回路３にスタート信号が入力され（ｔ２）、ラインクロックに同期して、先頭行（１行）から最終行（ここでは５行）までのそれぞれに対して、電子シャッタライン１から電子シャッタライン５のパルス信号が順次出力され、各単位セルのリセットが行単位で行われる。

（３）出力行選択走査回路４にスタート信号が入力される１ラインクロック前（ｔ３）に、基準電位出力回路出力信号が出力されて、基準電位出力回路７から基準電位が出力される。
（４）次に、出力行選択走査回路４にスタート信号が入力されると、ラインクロックに同期して、先頭行（１行）から最終行（ここでは５行）までのそれぞれに対して、出力選択ライン１から出力選択ライン５のパルス信号が順次出力され、、各単位セルからの読み出しが行単位で行われる。

ここで、各単位セルにおいて行毎に、電子シャッタラインｎのパルス信号によるリセット動作の終了時から出力選択ラインｎ（ここでは１〜５）のパルス信号による出力動作の終了時までの時間差が電荷蓄積時間となり、ラインクロックに同期して、電子シャッタラインと出力選択ラインとのパルス信号が同じパルス数だけシフトするので、全ての行において電荷蓄積時間は一定となっている。

また、電子シャッタ走査回路３のスタート信号の１ラインクロック前に基準電位出力回路７がリセットされ、出力行選択走査回路４にスタート信号が入力される１ラインクロック前に基準電位出力回路７から基準電位が出力されるので、基準電位出力回路７における基準電位の電荷蓄積時間は、各単位セルにおける信号電位の電荷蓄積時間と略同一となっている。

＜まとめ＞
以上のように、本発明の実施の形態１によれば、温度検出素子にトランジスタを用い、ゲート電圧を外部から制御することができる構成としているので、素子の製造後に外部から自由に基準電位出力回路の出力特性を調整することができ、６０℃以下の比較的低温の環境においても、温度に大きく依存する黒レベルと等価な基準電位を出力することができる。

本発明は、あらゆるビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像機器に適用することができ、特に、高級一眼レフタイプのデジタルスチルカメラ、業務用デジタルスチルカメラ、ハイビジョンビデオカメラ、放送用ＴＶカメラ、及び天体観測用カメラ等の高性能を要求される撮像機器に有用である。本発明によって、
黒レベルの温度依存性を低減することができるので、画質も向上に寄与することができその産業的利用価値は極めて高い。

本発明の実施の形態１におけるデジタルカメラ２００の概要を示す図である。 本発明の実施の形態１における固体撮像装置２０１の概略構成を示す図である。 実施の形態１の固体撮像装置２０１の回路構成の概略を示す図である。 基準電位出力回路７、及び出力制御回路８の回路構成の概略を示す図である。 信号電位と基準電位とを出力する際のタイミングチャートを示す図である。

符号の説明

１ 画素部
２ 負荷回路
３ 電子シャッタ走査回路
４ 出力行選択走査回路
５ 水平走査回路
６ 信号処理部
７ 基準電位出力回路
８ 出力制御回路
９ 信号増幅回路
１０ 負荷用トランジスタ
１１ 温度検出トランジスタ
１２ 放電用コンデンサ
１３ 充電用トランジスタ
１４ 増幅用トランジスタ
１５ 選択用トランジスタ
１６ 可変抵抗
１７ 固定抵抗
１８ ゲート電圧調整回路
１９ 可変抵抗
２０ 固定抵抗
２１ 充電電圧調整回路
１００ 負荷回路
１０１ 負荷用トランジスタ
１１０ 画素回路
１１１ 受光素子
１１２ 検出部
１１３ リセットトランジスタ
１１４ リードトランジスタ
１１５ 増幅用トランジスタ
１２０ 信号処理回路
１２１ サンプリングトランジスタ
１２２ クランプ容量
１２３ サンプリング容量
１２４ クランプトランジスタ
２００ デジタルカメラ
２０１ 固体撮像装置
２０２ 制御装置

Claims (6)

1. 受光量に応じた信号電位を出力する通常画素が、１次元、又は２次元状に複数個配列されている固体撮像装置であって、
   前記通常画素と同等の温度依存性を有し、前記通常画素における無信号時の再生レベルと等価な基準電位を出力する基準電位出力回路と、
   外部からなされる設定に応じて、基準電位出力回路の出力特性を制御する出力制御回路と
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記基準電位出力回路は、
   温度検出素子として設けられた単体又は複数の温度検出トランジスタと、
   前記温度検出トランジスタにおいて生じるドレイン電流に相当する電荷を放電する単体又は複数のコンデンサと、
   前記コンデンサを初期電位に充電する単体又は複数の充電トランジスタと、
   前記コンデンサの電荷を増幅して、基準電位として出力する増幅回路とからなること
   を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記出力制御回路は、
   前記温度検出トランジスタのゲート電圧の設定を外部から受け付けることにより、ドレイン電流を制御して、前記基準電位出力回路に前記等価な基準電位を出力させること
   を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記出力制御回路は、
   前記充電トランジスタを介して供給される初期電位の設定を外部から受け付けることにより、前記コンデンサに充電される初期電位を制御して、前記基準電位出力回路に前記等価な基準電位を出力させること
   を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 前記基準電位出力回路は、
   前記コンデンサを初期電位に充電した直後から基準電位として出力されるまでの放電時間が、前記通常画素における電荷蓄積時間と略同一となるように調整されていること
   を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記通常画素により出力される信号電位から、前記基準電位出力回路により出力される基準電位を差し引いて、暗電流による影響を排除する制御装置と
   を備えることを特徴とするデジタルカメラ。

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