JP2008301288A - 固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオード１１から電荷検出部ＦＤへ信号電荷を転送する転送トランジスタ１１２のゲート電圧の昇圧により該信号電荷の完全な転送を可能とし、しかも、該ゲート電圧の昇圧に用いるチャージポンプ型昇圧回路が発生するノイズによる影響を抑制することができ、これにより高画質の画像を得る。
【解決手段】転送トランジスタ１２のゲート電圧の昇圧に用いるチャージポンプ型昇圧回路１０１を、発振周波数可変のオシレータ回路、および該オシレータ回路の出力パルスにより駆動されるポンプ部を有する回路構成とし、画素部１０ａの電荷蓄積部ＦＤの電位を読み出す画素読み出し期間には、チャージポンプ型昇圧回路１０１におけるオシレータ回路を、その発振周波数が低下するよう制御するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、固体撮像装置およびその駆動方法、並びに電子情報機器に関し、特に、昇圧回路を搭載する増幅型固体撮像装置、該増幅型固体撮像装置におけるチャージポンプ型昇圧回路の駆動方法、および該増幅型固体撮像装置を有する電子情報機器に関する。

一般に、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配置された走査回路とを有し、その走査回路により画素部から画素データを読み出すものが普及している。

具体的には、増幅型固体撮像装置としては、画素部が周辺の走査回路など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（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）により構成されたＡＰＳ（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｉｘ ｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ） 型イメージセンサが知られており、特に、１個のフォトダイオード（ Ｐ Ｄ ）と４個のＭＯＳ型トランジスタ（Ｔｒ）を用いて、ＰＤ＋４Ｔｒ方式としたＡＰＳ型イメージセンサが知られている（特許文献１）。

図９は、従来のＡＰＳ型イメージセンサの一画素部を示す図である。

このＡＰＳ型イメージセンサの画素部（以下単に画素ともいう。）１０は、光電変換部としてのフォトダイオード１１と、フォトダイオード１１に蓄積した信号電荷を電荷検出部ＦＤに転送するための転送トランジスタ１２と、電荷検出部ＦＤの電位をＶＲ電位（例えば電源電位）にリセットするリセット部１４と、該電荷検出部ＦＤの電位を増幅する増幅装置１３と、画素信号を読み出すべき画素を選択する画素選択部１５とを備えている。該イメージセンサでは、このような構成の画素が行列状に配列され、各画素列毎に垂直信号線１７が設けられ、各画素列の画素は、対応する垂直信号線１７に接続されている。また、垂直信号線１７には、該垂直信号線１７に読み出された電荷検出部ＦＤの電位を信号処理して、各画素の画素データ（画素信号）を生成する信号処理回路１２０が接続されている。

ここで、上記リセット部１４は、一定電圧のリセットドレイン電源ＶＲと上記電荷検出部ＦＤとの間に接続されたスイッチ素子により構成されており、駆動パルスφＲにより駆動制御される。上記転送トランジスタ１２は、フォトダイオード１１と電荷検出部ＦＤとの間に接続され、駆動パルスφＴＸにより駆動制御される。また、上記画素選択部１５は、上記増幅装置１３の出力と上記垂直信号線１７との間に接続され、駆動パルスφＳにより駆動制御される。

図１０は、リセット部１４の駆動パルスφＲ、画素選択部１５の駆動パルスφＳ、および転送トランジスタ１２の駆動パルスφＴＸの動作タイミングを示す図である。

図１０に示すように、従来のＡＰＳ型イメージセンサでは、先ずリセット部駆動パルスφＲが期間ＴＲでオン（ハイレベル）となり、電荷検出部ＦＤの電位が電源電圧ＶＲにリセットされる。そして、駆動パルスφＲの立ち上がりタイミングと同時、あるいはその後に、画素選択部駆動パルスφＳがオン（ハイレベル）となり、リセット部駆動パルスφ Ｒがローレベルに立ち下がった後、期間ＴＡにて、リセットされた電荷検出部ＦＤの電位が、増幅装置１３、画素選択部１５、および垂直信号線１７を介して、出力信号Ｖ s i g（Ｒ）として読み出される。

その後、転送トランジスタ駆動パルスφＴＸが期間ＴＸでオン（ハイレベル）となり、フォトダイオード１１から電荷検出部ＦＤへ信号電荷が転送される。

このとき、画素選択部駆動パルスφＳがオン（ハイレベル）状態であることから、信号電荷が転送された電荷検出部ＦＤの電位が、増幅装置１３、画素選択部１５、垂直信号線１７を介して、期間ＴＢで出力信号Ｖｓｉｇ（Ｓ）として読み出される。

図９に示す回路構成の画素部１０において、フォトダイオード１１を埋め込み型として、フォトダイオード１１から電荷検出部ＦＤへの信号電荷転送を完全に行えるようにすれば、非常に低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることが可能である。

しかしながら、このような信号電荷の完全な転送を実現するには、以下のような課題が存在する。

図１１は、埋め込み型フォトダイオードを有する画素部を説明する図であり、図１１（ａ）は該画素部の断面構造を示し、図１１（ｂ）はフォトダイオードから電荷検出部までの間でのポテンシャル分布を示している。

この画素部の埋め込み型フォトダイオードは、Ｐ型基板２０１と、Ｐ型基板２０１上に形成されたＮ型光電変換蓄積部２０２と、このＮ型光電変換蓄積部２０２の表面領域に形成された高濃度Ｐ型ピンニング層２０３とから構成されている。また、この画素部では、Ｐ型基板２０１の、埋め込み型フォトダイオード部から一定距離離れた部分には、電荷検出部２０４（図９の電荷検出部ＦＤに相当する。）が形成され、Ｐ型基板２０１のフォトダイオードと電荷検出部との間の領域上には、埋め込み型フォトダイオードからの信号電荷を電荷検出部へ転送する転送ゲート２０６が配置されている。そして、転送ゲート２０６には転送パルスφＴＸが、電荷検出部２０４には電位ＶＦＤが夫々印加されるようになっている。

ここで、転送パルスφＴＸは、通常ＣＭＯＳ駆動回路から供給されるため、ローレベルがＧＮＤ、ハイレベルが電源電圧ＶＤである。また、その時のゲート下チャネルポテンシャルは、図１０に示すように、転送パルスφＴＸがローレベルのときポテンシャルΨ０、転送パルスφＴＸがハイレベルのとき、ポテンシャルΨ１となっている。

ここで、ＣＭＯＳ駆動回路の電源電圧ＶＤは、固定であるので大きな値を取ることができず、また、Ｎ型光電変換蓄積部２０２の空乏化ポテンシャルΨｄは、蓄積可能電荷量の低下を招くという理由であまり浅くできない。

このため、上記ポテンシャルの大小関係が、Ψ１＜Ψｄになって、Ψ１からΨｄまでのポテンシャル領域に存在する電荷ΔＱが残留して、フォトダイオードに蓄積された電荷Ｑを完全転送できず、ノイズが発生して低ノイズ化できないと共に、残像現象を引き起こすという問題がある。

この問題を解決するために、転送トランジスタのゲート電圧を昇圧することが考えられる。

例えば、特許文献２には、入力電圧を該入力電圧よりも高い電圧に変換するチャージポンプ回路を、ＭＯＳ型固体撮像素子が形成された半導体基板と同じ基板上に形成した固体撮像装置が開示されている。

このようなチャージポンプ回路により得られた昇圧電圧を転送トランジスタのゲートに印加することにより前記残像現象をなくすことが可能となる。
特開平９−４６５９６号公報 特開２００４−２４１４９１号公報

しかしながら、チャージポンプ回路は、キャパシタに貯められた電荷を繰り返し充放電することにより電荷転送する機構であるため、電源電圧の瞬時低下をはじめとする動作時のノイズが問題となる。特に、画素の読み出し期間のノイズは、画質への影響が避けられない。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、転送トランジスタのゲートに印加する電圧を、チャージポンプ型昇圧回路を用いて、この昇圧回路の動作ノイズの画質への影響を抑えつつ昇圧することができ、これにより、フォトダイオードから電荷検出部への信号電荷の完全転送を、画質を損なうことなく行うことができる固体撮像装置およびその駆動方法、並びに、該固体撮像装置を用いた電子情報機器を得ることを目的とする。

この発明にかかる固体撮像装置は、光電変換より信号電荷を発生する光電変換素子と、該光電変換素子で発生した信号電荷を検出して該信号電荷に対応する電位を発生する電荷検出部と、該信号電荷を該光電変換素子から該電荷検出部に転送する転送トランジスタとを有する画素部を備え、画素読み出し期間内に、該画素部から該電荷検出部の電位を読み出し、続くデータ処理期間内に、該読み出した電荷検出部の電位を信号処理する固体撮像装置であって、発振周波数可変のオシレータ回路を有し、該転送トランジスタのゲートに印加するゲート電圧を、該オシレータ回路の発振周波数に応じた、電源電圧より高い電圧レベルに昇圧する昇圧部と、該オシレータ回路を、その発振周波数が該画素読み出し期間には低下するよう制御する制御部とを備えたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記光電変換素子は、埋め込み型のフォトダイオードであることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記オシレータ回路は、その駆動電流を決定する複数の抵抗素子を有し、これらの抵抗素子の切り替えにより、その発振周波数が変更されるよう構成されていることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記抵抗素子は、基板上に形成されたポリシリコン層を用いたポリ抵抗、あるいは基板上に形成されたウェル領域を用いたウェル抵抗であることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記抵抗素子は、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗を用いたものであることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記昇圧部は、前記オシレータ回路の出力パルス電圧が印加される第１のキャパシタを有し、該出力パルスによる該第１のキャパシタの充放電により、電源電圧より高い昇圧電圧を発生するポンプ部と、該ポンプ部から出力される昇圧電圧により充電される第２のキャパシタと、前記転送トランジスタのゲートに印加するゲート電圧を、該第２のキャパシタの充電により発生した昇圧電圧にレベルシフトするレベルシフタとを有することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記昇圧部は、前記オシレータ回路と、該オシレータ回路の出力パルス電圧が印加される第１のキャパシタを有し、該出力パルスによる該第１のキャパシタの充放電により、電源電圧より高い昇圧電圧を発生するポンプ部と、該ポンプ部の動作を制御するポンプ部制御回路とからなるチャージポンプ型昇圧回路を含み、かつ該ポンプ部から出力される昇圧電圧により充電される第２のキャパシタを含み、該ポンプ部制御回路は、該ポンプ部による第２のキャパシタの充電により発生する昇圧電圧を目標電圧と比較し、該昇圧電圧が該目標電圧より大きくなったとき、該ポンプ部の動作を停止させることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記オシレータ回路は、入力信号を反転して出力する発振用ユニットを複数段リング状に接続してなる発振部と、該各発振用ユニットに供給される、該発振部の発振周波数を決定するその駆動電流を規定する基準電流を発生する基準電流発生回路とを有し、前記制御部は、該基準電流発生回路が発生する基準電流を、該発振部の発振周波数が前記画素読み出し期間内に低下するよう制御することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記画素読み出し期間には、前記画素部の、電源電圧にリセットされた前記電荷検出部の電位が、該画素部を含む画素部列に対応する垂直信号線に読み出され、その後、該画素部の、前記信号電荷が転送された該電荷検出部の電位が、該垂直信号線に読み出されることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記オシレータ回路を構成する発振部は、前記発振用ユニットを素数個有することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記オシレータ回路を構成する基準電流発生回路は、電源と接地との間に形成された、直列接続の抵抗素子およびスイッチ素子を含む電流経路を複数有し、該複数の電流経路における抵抗素子は異なる抵抗値を有し、前記制御部は、該スイッチ素子の制御により、該基準電圧発生回路で発生する前記基準電流を変更して前記発振部の発振周波数を調整することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記発振部を構成する発振用ユニットは、その出力ノードと電源との間に直列に接続された第１および第２の第１導電型トランジスタと、その出力ノードと接地との間に直列に接続された第１および第２の第２導電型トランジスタとを有し、該出力ノードは、次段の発振用ユニットの入力ノードである、該異なる導電型のトランジスタの接続点に接続されており、前記発振部を構成する基準電流発生回路は、電源と接地との間に直列に導電型の異なる２つのトランジスタを直列に接続してなる直列回路を含み、該直列回路は、該スイッチ素子の制御により選択された電流経路に流れる電流と等しい電流が流れるものであり、該直流回路を構成する電源側の第１導電型トランジスタと、該発振用ユニットの電源に接続された第１導電型トランジスタとはカレントミラー回路を構成し、該直流回路を構成する接地側の第２導電型トランジスタと、該発振用ユニットの接地に接続された第２導電型トランジスタとはカレントミラー回路を構成することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記オシレータ回路を構成する基準電流発生回路は、電源と接地との間に形成された、直列接続の第１の抵抗素子および第１のスイッチ素子を含む第１の電流経路と、電源と接地との間に形成された、第２の抵抗素子および第２のスイッチ素子を含む第２の電流経路とを有し、該第２の抵抗素子は、該第１の抵抗素子の抵抗値より大きい抵抗値を有し、前記制御部は、前記画素読み出し期間内には、該基準電流発生回路の第２の電流経路に前記基準電流が流れるよう、該第１のスイッチ素子をオフし、かつ該第２のスイッチ素子をオンし、前記画素読み出し期間に続くデータ処理期間内には、該基準電流発生回路の第１の電流経路に該基準電流が流れるよう、該第１のスイッチ素子をオンし、かつ第２のスイッチ素子をオフすることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置において、前記オシレータ回路を構成する基準電流発生回路は、電源と接地との間に形成された、直列接続の第１の抵抗素子および第１のスイッチ素子を含む第１の電流経路と、電源と接地との間に形成された、直列接続の第２の抵抗素子および第２のスイッチ素子を含む第２の電流経路と、電源と接地との間に形成された、直列接続の第３の抵抗素子および第３のスイッチ素子を含む第３の電流経路とを有し、該第２の抵抗素子は、該第１の抵抗素子の抵抗値より大きい抵抗値を有し、該第３の抵抗素子は、該第１の抵抗素子の抵抗値と第２の抵抗素子の抵抗値との間の中間的な抵抗値を有し、前記制御部は、前記画素読み出し期間内には、該基準電流発生回路の第２の電流経路に前記基準電流が流れるよう、該３つのスイッチ素子を制御し、前記画素読み出し期間に続くデータ処理期間には、最初の一定時間は、該基準電流発生回路の第３の電流経路に該基準電流が流れ、その後、該基準電流発生回路の第１の電流経路に該基準電流が流れるよう、該３つのスイッチ素子を制御することが好ましい。

本発明にかかる固体撮像装置の駆動方法は、光電変換より信号電荷を発生する光電変換素子と、該光電変換素子で発生した信号電荷を検出して該信号電荷に対応する電位を発生する電荷検出部と、該信号電荷を該光電変換素子から該電荷検出部に転送する転送トランジスタとを有する画素部を備えた固体撮像装置を、電源電圧を昇圧して得られる昇圧電圧により駆動する固体撮像装置の駆動方法であって、発振周波数可変のオシレータ回路の出力パルスにより駆動され、昇圧用キャパシタを充電するチャージポンプ回路を用いて、該転送トランジスタのゲートに印加するゲート電圧を、該オシレータ回路の発振周波数に応じた、電源電圧より高い昇圧電圧に昇圧し、該画素部から該電荷検出部の電位を読み出す画素読み出し期間内には、該昇圧電圧が低下するよう、該オシレータ回路の発振周波数を制御するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記画素読み出し期間に続く、該読み出した電荷検出部の電位を信号処理するデータ処理期間には、その最初の一定時間の間に、該画素読み出し期間内に低下させた昇圧電圧が段階的に上昇するよう、該オシレータ回路の発振周波数を制御することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記画素読み出し期間に続く、該読み出した電荷検出部の電位を信号処理するデータ処理期間では、その最初の一定時間の間に、該画素読み出し期間内に低下させた昇圧電圧が段階的に上昇し、その後、昇圧電圧が一定レベルに保持され、その最後の一定時間の間に、該昇圧電圧が段階的に低下するよう、該オシレータ回路の発振周波数を制御することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記光電変換素子は、埋め込み型のフォトダイオードであることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記オシレータ回路に含まれる、その駆動電流を決定するための複数の抵抗素子を切り替えて、該オシレータ回路の発振周波数を変更することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記抵抗素子は、基板上に形成されたポリシリコン層を用いたポリ抵抗、あるいは基板上に形成されたウェル領域を用いたウェル抵抗であることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像装置の駆動方法において、前記抵抗素子は、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗を用いたものであることが好ましい。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置を撮像部または／および回路部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明においては、発振周波数可変のオシレータ回路を有し、転送トランジスタのゲート電圧を、該オシレータ回路の発振周波数に応じた、電源電圧より高い電圧レベルに昇圧する昇圧部を備え、該オシレータ回路を、その発振周波数が、画素部からその電荷検出部の電位を読み出す画素読み出し期間には低下するよう制御するようにしたから、画素読み出し時には、画素部の光電変換素子から電荷検出部へ信号電荷を完全に転送でき、しかも、昇圧部のオシレータ回路が発生するノイズによる影響を抑制することができ、これにより高画質の画像を得ることができる。

また、オシレータ回路を構成する発振部は、発振用ユニットを素数個だけ有するので、発振用ユニット間での動作の干渉を回避してノイズ低減を図ることができる。

また、オシレータ回路は、その駆動電流を決定するための複数の抵抗素子を有し、これらの抵抗素子の切り替えにより、その発振周波数が変更されるよう構成されているので、オシレータ回路の発振周波数の変更を、複数の抵抗素子のうちから所定のものを選択するという簡単処理により行うことができる。

さらに、この発明においては、画素読み出し期間後の、画素から読み出した画素電圧を後段の信号処理回路の転送するデータ転送期間には、段階的にチャージポンプ型昇圧回路の動作周波数を高めるようにしているので、チャージポンプ型昇圧回路の動作周波数の切り替え時に発生するノイズを低減することが可能となり、これにより、より一層高画質の画像を得ることができる。

また、この発明においては、データ転送期間の初期の段階で徐々に発振周波数を高めるだけでなく、データ転送期間の最後の一定期間に、発振周波数を段階的に低下させるので、より一層、チャージポンプ型昇圧回路の動作周波数の切り替え時に発生するノイズを低減することが可能となり、これにより、より一層高画質の画像を得ることができる。

以上により、本発明によれば、発振周波数可変のオシレータ回路を有し、転送トランジスタのゲート電圧を、該オシレータ回路の発振周波数に応じた、電源電圧より高い電圧レベルに昇圧する昇圧部を備えることにより、フォトダイオードから電荷検出部へ信号電荷を完全に転送でき、さらに、読み出し時には、昇圧部のオシレータ回路の動作周波数を下げて、該オシレータ回路をゆっくり動作させることにより、該昇圧部が発生するノイズによる影響を抑制することができ、これにより高画質の画像を得ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による固体撮像装置を説明する図であり、図１（ａ）は、該固体撮像装置の全体構成を模式的に示し、図１（ｂ）は、該固体撮像装置における１つの画素部と転送トランジスタのゲート電圧昇圧部とを示している。

この実施形態１の固体撮像装置１００は、画素部（以下単に画素ともいう。）を行列状に配列してなる画素アレイ部１００ａと、画素アレイ部の各画素行を選択する垂直走査回路１１０ａと、画素アレイ部１００ａの各画素列を選択する水平走査回路１１０ｂとを有している。

ここで、画素部１０ａは、光電変換部としてのフォトダイオード１１と、フォトダイオード１１に蓄積した信号電荷を電荷検出部ＦＤに転送する転送トランジスタ１２と、該トランジスタ１２のゲート１９が接続された電荷検出部ＦＤの電位をＶＲ電位（例えば電源電位）にリセットするリセット部１４と、該電荷検出部ＦＤの電位を増幅する増幅装置１３と、画素信号を読み出すべき画素を選択する画素選択部１５とを備えている。また、従来の固体撮像装置と同様、各画素列毎に垂直信号線１７が設けられ、各画素列の画素は、対応する垂直信号線１７に接続されている。該垂直信号線１７には、該垂直信号線１７に読み出された電荷検出部ＦＤの電位を信号処理して、各画素の画素データ（画素信号）を生成する信号処理回路１２０が接続されている。

また、上記固体撮像装置１００は、電源電圧より高い電圧を発生するチャージポンプ型昇圧回路１０１と、該昇圧回路１０１の出力と接地との間に接続され、該昇圧回路から出力された昇圧電圧により電荷を蓄積するプールキャパシタ１０２と、画素の転送トランジスタの選択信号ＴＸ＿Ｄを、該プールキャパシタ１０２に発生した昇圧電圧によりレベルシフトするレベルシフタ１０３とを有している。ここで、チャージポンプ型昇圧回路１０１、プールキャパシタ１０２、およびレベルシフタ１０３は、転送トランジスタのゲート電圧を昇圧する昇圧部を構成している。該レベルシフタ１０３はインバータ回路からなり、上記垂直走査回路１１０ａに含まれているものである。また、チャージポンプ型昇圧回路１０１から出力される電圧は、フォトダイオードから信号電荷を電荷検出部ＦＤへ完全に転送するのに十分な昇圧電圧である。

さらに、上記固体撮像装置１００は、垂直走査回路１１０ａ、水平走査回路１１０ｂ、および、チャージポンプ型昇圧回路１０１を制御する制御部１００ｂを有している。

図２は、上記チャージポンプ型昇圧回路の構成例を示す。

このチャージポンプ型昇圧回路１０１は、昇圧電圧ＨＨＶを発生するポンプ部５０３と、該制御部からの制御信号ＥＮ１およびＥＮ２に基づいて該ポンプ部５０３に駆動パルス電圧Ｄｐを供給するオシレータ回路５０２と、該ポンプ部の稼動あるいは非稼動を制御するポンプ部制御回路５０１とから構成されている。

図３は、ポンプ部５０３の具体的な回路構成を示している。

このポンプ部５０３は、オシレータ回路５０２からの駆動パルス電圧Ｄｐによりキャパシタの充放電を行って、電源電圧の約２倍の昇圧電圧を出力する１段ポンピング構成を有している。つまり、該ポンプ部５０３は、電源と接地との間に直列に接続された直列接続の２つのトランジスタＴ６０１およびＴ６０２と、該両トランジスタの接続点Ｎ６０３に一端が接続されたキャパシタ６１０と、上記駆動パルス電圧を、上記制御回路５０１からのポンプ制御信号ＰＭＰＥＮに応じて該キャパシタ６１０の他端に印加する２入力論理回路Ｌ６０３とを有している。

なお、実際には、トランジスタＴ６０１およびＴ６０２にしきい値による電圧降下が発生するため、このポンプ部５０３の出力は、電源電圧の２倍の昇圧電圧にはならないが、これらのトランジスタに、低しきい値のトランジスタを用いるなどの対策をして、電圧のロスをなくすことは可能である。

図４は、ポンプ部制御回路５０１の具体的な回路構成例を示している。

このポンプ部制御回路５０１は、基準電圧Ｖｒｅｆとポンプ部５０３の出力電圧ＨＨＶとに基づいて、ポンプ部の稼動/非稼動を制御する回路である。このポンプ部制御回路５０１は、上記ポンプ部５０３の出力電圧ＨＨＶを抵抗分圧する抵抗分圧回路７０２と、該抵抗分圧回路７０２の分圧出力ＶＤＩＶと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、この比較結果に応じて、ポンプ部を稼動状態あるいは非稼動状態にするポンプ部制御信号ＰＭＰＥＮを出力する差動増幅回路７０１とを有している。例えば、ポンプ部制御回路５０１は、分圧出力ＶＤＩＶが基準電圧Ｖｒｅｆより高いときは、ポンプ部５０２をこれが非稼動状態となるよう制御し、分圧出力ＶＤＩＶが基準電圧Ｖｒｅｆより高くないときは、ポンプ部５０２をこれが稼動状態となるよう制御する。これにより、ポンプ部制御回路５０１は、プールキャパシタの充電により発生する昇圧電圧が一定レベル以上にならないようにしている。また、上記抵抗分圧回路７０２は、ポンプ部５０３の出力と接地との間に直列に接続された２つの抵抗Ｒ０およびＲ１から構成されている。ただし、該抵抗Ｒ０およびＲ１は、消費電流を抑えるために、数メガΩ以上の高抵抗であることが望ましい。

図５は、上記オシレータ回路の詳細な構成を示す。

このオシレータ回路５０２は、発振用ユニット８０２を多段に接続してなる発振部８００と、該発振部８００の発振周期を可変するための基準電流発生回路８０１とから構成される。

基準電流発生回路８０１は、電源と第１のノードＮ８０ａとの間に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８３と、該第１のノードＮ８０ａに一端が接続された第１の抵抗Ｒ３と、該第１の抵抗Ｒ３の他端と接地との間に接続された第１のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８１と、該第１のノードＮ８０ａに一端が接続された第２の抵抗Ｒ４と、該第２の抵抗Ｒ４の他端と接地との間に接続された第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８２とを有している。ここで、第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８３のゲートは第１のノードＮ８０ａに接続されている。第１のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８１のゲートには、上記制御部１００ｂからの制御信号である第１のイネーブル信号Ｅ１が供給され、該第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８２のゲートには、上記制御部１００ｂからの制御信号である第２のイネーブル信号Ｅ２が供給されるようになっている。ここで、第１の抵抗Ｒ３の抵抗値ＶＲ３と第２の抵抗Ｒ４の抵抗値ＶＲ４とは、ＶＲ３≪ＶＲ４の関係となっている。なお、抵抗素子は、固体撮像装置を構成する各回路の素子などが形成されている半導体基板に形成されたポリシリコン層を用いたポリ抵抗である。ただし、上記抵抗素子は、ポリ抵抗に限定されるものではなく、該半導体基板に形成されたウェル領域を用いたウェル抵抗であってもよく、また、該半導体基板に形成されたＭＯＳトランジスタのオン抵抗を用いたものでもよい。

また、基準電流発生回路８０１は、電源と第２のノードＮ８０ｂとの間に接続された第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８４と、該第２のノードＮ８０ｂと接地との間に接続された第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８５とを有している。ここで、該第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８４のゲートは上記第１のノードＮ８０ａに接続され、該第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８５のゲートは上記第２のノードＮ８０ｂに接続されている。また、第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８４は、上記第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８３と同一のトランジスタ能力を有している。

上記発振部８００を構成する発振用ユニット８０２は、その出力ノードＮ２と電源との間に直列に接続された２つのＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８６およびＴ８７と、その出力ノードＮ２と接地との間に直列に接続された２つのＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８８およびＴ８９とを有している。電源側のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８６のゲートは、基準電流発生回路８０１の第１のノードＮ８０ａに接続されている。従って、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴ８３、Ｔ８４、Ｔ８６のトランジスタ能力が同じである場合は、これらのトランジスタはカレントミラーを構成することとなる。なお、ここでは、これらのトランジスタＴ８３、Ｔ８４、およびＴ８６はカレントミラーを構成しているものとする。また、接地側のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８９のゲートは、基準電流発生回路８０１の第２のノードＮ８０ｂに接続されている。従って、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴ８５、Ｔ８９のトランジスタ能力が同じである場合は、これらのトランジスタはカレントミラーを構成することとなる。ここでは、これらのトランジスタＴ８５およびＴ８９はカレントミラーを構成するものとする。また、出力ノードＮ２につながるＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８７のゲートとＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８８のゲートは共通接続され、発振用ユニット８０２の入力ノードＮ１となっている。

上記発振部８００では、このような発振用ユニット８０２が素数個の段数設けられ、１つの発振用ユニットの出力ノードが次段の発振用ユニットの入力ノードに接続され、最終段の発振用ユニットの出力ノードは初段の発信用ユニットの入力ノードに接続されている。つまり、素数個の発振用ユニット８０２は、リング状の多段接続となっている。

次に動作について説明する。

固体撮像装置１００では、画素アレイ部１００ａの所定の画素行が垂直走査回路１１０ａにより選択され、画素アレイ部１００ａの所定の画素列が水平走査回路１１０ｂにより選択される。そして、図６に示すように、画素行と画素列の選択により選択された画素から、画素読み出し期間Ｔａに、リセットされた電荷検出部ＦＤの電位と、信号電荷が転送された電荷検出部ＦＤの電位とを垂直信号線１７に読み出す。そして、続くデータ転送期間（データ処理期間）Ｔｂには、垂直信号線１７に読み出された電位が次段の信号処理回路１２０で処理される。

そして、本実施形態では、画素のフォトダイオード１１から電荷検出部ＦＤへ信号電荷を転送する際、チャージポンプ型昇圧回路１０１により昇圧された転送パルスφＴＸが転送トランジスタ１２のゲートに印加される。

つまり、この実施形態では、プールキャパシタ１０２は常に、チャージポンプ型昇圧回路１０１から供給される電荷により充電されており、該プールキャパシタ１０２の端子間電圧は、電源電圧より高い電位となっている。そして、このプールキャパシタ１０２の端子間電圧は、垂直走査回路１１０ａからの転送トランジスタの選択信号ＴＸ＿Ｄをレベルシフトするレベルシフタ１０３に供給されている。これにより、インバータ回路からなるレベルシフタ１０３からは、ハイレベルが電源電圧より高い電位に昇圧された転送パルスφＴＸが転送トランジスタ１２のゲートに印加されることとなって、フォトダイーオード１１に蓄積された信号電荷は、完全に電荷検出部ＦＤへ転送されることとなる。

以下、このチャージポンプ型昇圧回路１０１の動作について詳しく説明する。

このチャージポンプ型昇圧回路１０１には、制御部１００ｂから制御信号である第１および第２のイネーブル信号ＥＮ１およびＥＮ２が供給されており、これらの信号ＥＮ１およびＥＮ２は、チャージポンプ型昇圧回路１０１を構成するオシレータ回路５０２の基準電流発生回路８０１に供給される。

例えば、第１のイネーブル信号ＥＮ１がハイレベルで、第２のイネーブル信号ＥＮ２がローレベルであるときは、選択トランジスタＴ８１がオンし、基準電流発生回路８０１では、電源から、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴ８３、抵抗Ｒ３、および選択トランジスタＴ８１を介して接地に至る経路で電流が流れる。すると、該Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴ８３のドレイン（つまり第１のノード）Ｎ８０ａにゲートが接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８４が導通し、Ｎ型ＭＯＳトランジスタのドレイン（つまり第２のノード）Ｎ８０ｂも立ち上がり、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＴ８５がオンする。

各発振用ユニット８０２の、電源につながるＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８６のゲートは、基準電流発生回路８０１のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８３およびＴ８４のゲートに接続され、各発振用ユニット８０２の、接地につながるＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８９が基準電圧発生回路８０１のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８５のゲートに接続されていることから、各発振用ユニット８０２のこれらのトランジスタＴ８６およびＴ８９はオンする。この結果、各発振用ユニット８０２の、ゲートが入力ノードに共通接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタとＮ型ＭＯＳトランジスタの直列接続体の両端に電圧が印加されることとなって、発振部８００は発振動作を開始する。

一方、第１のイネーブル信号ＥＮ１がローレベルで、第２のイネーブル信号ＥＮ２がハイレベルであるときは、選択トランジスタＴ８２がオンし、基準電流発生回路８０１では、電源から、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴ８３、抵抗Ｒ４、および選択トランジスタＴ８２を介して接地に至る経路で電流が流れる。この場合も、選択トランジスタＴ８２がオンしたときと同様の発振動作が行われる。

ただし、抵抗Ｒ３の抵抗値ＶＲ３と抵抗Ｒ４の抵抗値ＶＲ４は、ＶＲ３≪ＶＲ４である。このため、例えば、基準電流発生回路８０１で、抵抗Ｒ３を含む電流パスが選択された場合は、この電流パスには１μＡの電流が流れ、抵抗Ｒ４を含む電流パスが選択された場合は、この電流パスには５０μＡの電流が流れる。

そして、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴ８３のゲートは、発振用ユニット８０２内のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８６のゲートにも接続されており、双方のトランジスタ能力が同じである場合は、カレントミラーを構成していることから、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴ８３の電流が発振ユニット８０２内のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８６の動作電流としてコピーされる。また、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴ８３は、同一トランジスタ能力のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８４のゲートにも接続され、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＴ８４のドレインは、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＴ８５のドレインおよびゲートに接続されている。さらにＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８５のゲートは、発振用ユニット８０２内のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８９のゲートにも接続されている。

従って、このようなことから、発振用ユニット８０２は、次段のゲート容量、つまり入力ノードの容量を充電するとき、基準電流発生回路８０１で発生した電流と同じ電流で充電を行い、次段のゲート容量、つまり入力ノードの容量を放電するとき、基準電流発生回路８０１で発生した電流と同じ電流で放電を行う。言い換えると、基準電流発生回路８０１のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８３を流れる電流を制御することで、発振部の発振周波数を可変できる。

ところで、チャージポンプ型昇圧回路を停止するためには、リセット回路などを追加して、ポンプ部制御回路、オシレータ回路、ポンプ部をそれぞれ停止させる必要がある。ところが、一旦チャージポンプ型昇圧回路が停止してしまうと、次ぎに起動時には、オシレータ回路が発振をするまでに時間を必要としたり、それぞれの回路を起動するためのスイッチング時のノイズが発生することとなる。このため、チャージポンプ型昇圧回路１０１の、特にオシレータ回路は、停止しないことが望ましい。

そこで、この実施形態１では、図６に示すように画素から電荷蓄積部の電位を読み出す画素読み出し期間Ｔａには、チャージポンプ型昇圧回路におけるオシレータ回路の動作周波数を抑えるようにしている。チャージポンプ型昇圧回路のオシレータ回路の動作周波数を低く抑えることで、チャージポンプ型昇圧回路の消費電流を抑えることができ、ノイズの発生を低く抑えることが可能となる。

具体的には、例えば、制御部１００ｂは、画素読み出し期間Ｔａは、抵抗値の大きい抵抗Ｒ４を含む電流パスが形成されるよう、イネーブル信号ＥＮ１をローレベルにし、かつイネーブル信号ＥＮ２をハイレベルとして、１ＭＨｚ程度でチャージポンプ型昇圧回路を動作させ、データ転送期間Ｔｂには、抵抗値の小さい抵抗Ｒ３を含む電流パスが形成されるよう、イネーブル信号ＥＮ１をハイレベルにし、かつイネーブル信号ＥＮ２をローレベルとして、５０ＭＨｚ程度でチャージポンプ型昇圧回路を動作させる。

このようにしてオシレータ回路５０２で発振動作が行われると、該オシレータ回路５０２からは、ポンプ駆動パルスＤｐがポンプ部５０３に出力される。

すると、ポンプ部５０３では、図３に示すように、該駆動パルス電圧Ｄｐは、ＡＮＤゲートＬ６０３を介してキャパシタ６１０に印加される。このＡＮＤゲートＬ６０３では、ポンプ部制御回路５０１からのポンプイネーブル信号ＰＭＰＥＮがハイレベルのときのみ、駆動パルス電圧Ｄｐをキャパシタ６１０に出力する。

上記駆動パルス電圧Ｄｐがキャパシタ６１０に供給されると、該キャパシタ６１０が該駆動パルス電圧Ｄｐにより充放電されることとなる。このとき、ポンプ部５０３の直列接続のＮ型ＭＯＳトランジスタ６０１およびＴ６０２は、これらはダイオード接続となっているため、常に導通状態であり、これらのトランジスタの接続ノードＮ６０３は、上記駆動パルス電圧Ｄｐが印加されていない状態で電源電位（例えば３Ｖ）となっている。

従って、キャパシタ６１０のＡＮＤゲート側ノードに駆動パルス電圧Ｄｐが供給され、該ノードが０Ｖから電源電圧（例えば３Ｖ）に変化すると、該キャパシタの他方のノードＮ６０３の電位は電源電圧（例えば３Ｖ）から電源電圧より高い昇圧電圧（例えば６Ｖ）に変化し、ポンプ部５０３の出力側のプールキャパシタ１０２は、６Ｖで充電されることとなる。ただし、プールキャパシタ１０２については、目標充電電圧（例えば４Ｖ）が設定されており、ポンプ部制御回路５０１は、プールキャパシタ１０２の電位がこれを超えると、ポンプ部５０３の稼動を停止させて該ポンプ部５０３によるプールキャパシタの充電は停止する。

つまり、ポンプ部制御回路５０１では、プールキャパシタ１０２の充電電位ＨＨＶを抵抗分圧回路７０２で分圧した分圧電位ＶＤＩＶと、基準電圧Ｖｒｅｆとが差動増幅回路７０１で比較され、分圧電位ＶＤＩＶが基準電圧Ｖｒｅｆを超えたとき、ポンプ制御信号ＰＭＰＥＮをローレベルとする。これにより、ポンプ部５０３では、ＡＮＤゲートＬ６０３からはオシレータ回路５０２からの駆動パルス電圧Ｄｐが出力されない状態となる。

このように本実施形態１では、転送ゲートに印加する電圧を昇圧するチャージポンプ型昇圧回路１０１を備え、読み出し時には、チャージポンプ型昇圧回路の動作周波数を下げて、ゆっくり動作させるようにしたので、画素１０ａのフォトダイオード１１から電荷検出部ＦＤへ信号電荷を完全に転送でき、しかも、チャージポンプ型昇圧回路１０１が発生するノイズによる影響を抑制することができ、これにより高画質の画像を得ることができる。

また、オシレータ回路５０２を構成する発振部８００は、発振用ユニット８０２を素数個だけ有するので、発振用ユニット間での動作の干渉を回避してノイズ低減を図ることができる。

また、オシレータ回路５０２は、その駆動電流を決定する２つの抵抗素子Ｒ３およびＲ４を有し、これらの抵抗素子の切り替えにより、その発振周波数が変更されるよう構成されているので、オシレータ回路の発振周波数の変更を抵抗の選択という簡単な処理により行うことができる。
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２による固体撮像装置を説明する図であり、該固体撮像装置のチャージポンプ型昇圧回路におけるオシレータ回路の構成を示している。

本実施の形態２の固体撮像装置１０２は、実施形態１の固体撮像装置１００のチャージポンプ型昇圧回路におけるオシレータ回路５０２に代えて、その発振周波数の切り替えを３段階に変更可能としたオシレータ回路５０２ａを備え、実施形態１の制御部１００ｂを、該オシレータ回路で３段階の周波数の変更を行うための制御信号、つまり３つのイネーブル信号ＥＮ１、ＥＮ２、ＥＮ３を該オシレータ回路５０２ａに供給するよう構成変更した制御部（図示せず）を備えたものであり、その他の構成は、実施形態１のものと同一である。

すなわち、この実施形態２のチャージポンプ型昇圧回路におけるオシレータ回路５０２ａは、発振用ユニット８０２を多段に接続してなる発振部８００と、該発振部８００の発振周期を３段階に変更可能とした基準電流発生回路８０１ａとから構成されている。ここで、発振部８００は、実施形態１のものと同一構成である。

そして、この実施形態２の基準電流発生回路８０１ａは、電源と第１のノードＮ８０ａとの間に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８３と、該第１のノードＮ８０ａに一端が接続された第１の抵抗Ｒ３と、該第１の抵抗Ｒ３の他端と接地との間に接続された第１のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８１と、該第１のノードＮ８０ａに一端が接続された第２の抵抗Ｒ４と、該第２の抵抗Ｒ４の他端と接地との間に接続された第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８２と、該第１のノードＮ８０ａに一端が接続された第３の抵抗Ｒ５と、該第３の抵抗Ｒ５の他端と接地との間に接続された第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ９０とを有している。

ここで、第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８３のゲートは第１のノードＮ８０ａに接続されている。第１のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８１のゲートには、上記制御部１００ｂからの第１のイネーブル信号Ｅ１が供給され、該第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８２のゲートには、上記制御部１００ｂからの第２のイネーブル信号Ｅ２が供給され、該第３のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ９０のゲートには、上記制御部１００ｂからの第３のイネーブル信号Ｅ３が供給されるようなっている。なお、第３の抵抗Ｒ５の抵抗値ＶＲ５は、第１の抵抗Ｒ３の抵抗値ＶＲ３と第２の抵抗Ｒ４の抵抗値ＶＲ４と間の中間的な値となっている。

また、基準電流発生回路８０１ａは、実施形態１と同様、電源と第２のノードＮ８０ｂとの間に接続された第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８４と、該第２のノードＮ８０ｂと接地との間に接続された第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８５とを有している。また、該第１のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８４のゲートは上記第１のノードＮ８０ａに接続され、該第２のＮ型ＭＯＳトランジスタＴ８５のゲートは上記第２のノードＮ８０ｂに接続されている。また、第２のＰ型ＭＯＳトランジスタＴ８４は、上記第１のＰ型ＭＯＳトランジスタと同一のトランジスタ能力を有している。

次に動作について説明する。

この実施形態２の固体撮像装置の動作は、チャージポンプ型昇圧回路の動作以外は、実施形態１と同一であるので、以下では、チャージポンプ型昇圧回路の動作についてのみ説明する。

この実施形態２では、図８に示すように画素から電荷蓄積部の電位を読み出す画素読み出し期間Ｔａには、実施形態１と同様、チャージポンプ型昇圧回路の動作周波数を抑えるようにしている。このようにチャージポンプ型昇圧回路の動作周波数を低く抑えることで、チャージポンプ型昇圧回路の消費電流を抑えることができ、ノイズの発生を低く抑えることが可能となる。そして、この実施形態２では、画素読み出し期間Ｔａ後の、画素から読み出した画素電圧を後段の信号処理回路の転送するデータ転送期間Ｔｂには、段階的にチャージポンプ型昇圧回路の動作周波数を高めるようにしている。これにより、チャージポンプ型昇圧回路の動作周波数の切り替え時に発生するノイズをより低減することが可能となる。

具体的には、例えば、本実施形態２の制御部（図１（ａ）参照）は、画素読み出し期間Ｔａには、基準電流発生回路８０１ａの抵抗値の大きい抵抗Ｒ４を含む電流パスが形成されるよう、イネーブル信号ＥＮ１およびＥ３をローレベルにし、かつイネーブル信号ＥＮ２をハイレベルとして、１ＭＨｚ程度でチャージポンプ型昇圧回路を動作させる。そしてその後のデータ転送期間Ｔｂでは、まず、最初の一定時間の間には、中間的な抵抗値を持つ抵抗Ｒ５を含む電流パスが形成されるよう、イネーブル信号ＥＮ３をハイレベルにし、かつイネーブル信号ＥＮ１およびＥＮ２をローレベルとして、１ＭＨｚと５０ＭＨｚの間の中間的な周波数（例えば１０ＭＨｚ）でチャージポンプ型昇圧回路を動作させ、その後抵抗値の小さい抵抗Ｒ３を含む電流パスが形成されるよう、イネーブル信号ＥＮ１をハイレベルにし、かつイネーブル信号ＥＮ２およびＥＮ３をローレベルとして、５０ＭＨｚの間の中間的な周波数でチャージポンプ型昇圧回路を動作させる。

このようにしてオシレータ回路５０２で発振動作が行われると、該オシレータ回路５０２からは、ポンプ駆動パルスＤｐがポンプ部５０３に出力される。

すると、ポンプ部５０３では、実施形態１と同様にして、チャージポンプ型昇圧回路の出力側のプールキャパシタ１０２を充電する動作が行われ、このプールキャパシタ１０２の充電により生じた昇圧電圧により、転送トランジスタのゲートに印加するゲート電圧が昇圧される。

このように本実施形態２では、上記実施形態１と同様、転送ゲートに印加する電圧を昇圧するチャージポンプ型昇圧回路を備え、読み出し時には、チャージポンプ型昇圧回路の動作周波数を下げて、ゆっくり動作させるようにしたので、フォトダイオードから電荷検出部へ信号電荷を完全に転送でき、しかも、チャージポンプ型昇圧回路が発生するノイズによる影響を抑制することができる。さらに、この実施形態２では、画素読み出し期間Ｔａ後の、画素から読み出した画素電圧を後段の信号処理回路の転送するデータ転送期間Ｔｂには、段階的にチャージポンプ型昇圧回路の動作周波数を高めるようにしているので、チャージポンプ型昇圧回路の動作周波数の切り替え時に発生するノイズを低減することが可能となる。この結果、本実施形態２では、より一層高画質の画像を得ることができる。

なお、上記実施形態１および２では、チャージポンプ型昇圧回路の発振部における発振ユニットの個数を素数個としているが、発振部における発振ユニットの個数は奇数個や偶数個でもよく、この場合もチャージポンプ型昇圧回路の発振動作は可能である。

さらに、上記実施形態２では、チャージポンプ型昇圧回路の発振周波数を３段階に変更可能なものを示したが、上記チャージポンプ型昇圧回路は、さらに多くの段数、つまり４段階以上で発振周波数を変更可能な構成としてもよい。

また、データ転送期間の初期の段階で徐々に発振周波数を高めるだけでなく、データ転送期間の最後の一定期間に、発振周波数を段階的に低下させるようにしてもよい。

また、上記実施形態１および２による固体撮像装置の画素を構成するフォトダイオードは、上記実施形態で説明した埋め込み型フォトダイオード方式のものに限定されるものではなく、ＰＮ接合フォトダイオード方式やフォトゲート方式のものであってもよい。

また、上記実施形態１および２による固体撮像装置を構成するトランジスタは、上記実施形態で説明した導電型とは逆の導電型のものであってもよい。この場合は、電源電圧として負電圧を用いる必要がある。

さらに、上記実施形態１および２では、特に説明しなかったが、上記実施形態１および２の固体撮像装置の少なくともいずれかを撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態１および２の固体撮像装置の少なくともいずれかを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１および２を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、これらの実施形態１および２に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１および２の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、チャージポンプ型昇圧回路を搭載した固体撮像装置およびその駆動方法、並びに、該固体撮像装置を用いた電子情報機器の分野において、転送トランジスタのゲート電圧を、該チャージポンプ型昇圧回路を用いて、該回路の動作ノイズの画質への影響を抑えつつ昇圧することができ、これにより、フォトダイオードから電荷検出部への信号電荷の完全転送を、画質を損なうことなく行うことができる固体撮像装置およびその駆動方法、並びに、該固体撮像装置を用いた電子情報機器を得ることができるものである。

図１は、本発明の実施形態１による固体撮像装置を説明する図であり、図１（ａ）は、該固体撮像装置の全体構成を模式的に示し、図１（ｂ）は、該固体撮像装置における１つの画素とチャージポンプ型昇圧回路とを示している。 図２は、上記実施形態１の固体撮像装置におけるチャージポンプ型昇圧回路の構成例を示す図である。 図３は、上記実施形態１のチャージポンプ型昇圧回路を構成するポンプ部の具体的な回路構成を示す図である。 図４は、上記実施形態１のチャージポンプ型昇圧回路を構成するポンプ部制御回路の具体的な回路構成を示す図である。 図５は、上記実施形態１のチャージポンプ型昇圧回路を構成するオシレータ回路の具体的な回路構成を示す図である。 図６は、上記実施形態１のチャージポンプ型昇圧回路を構成するオシレータ回路の動作を説明する図である。 図７は、本発明の実施形態２による固体撮像装置を説明する図であり、該固体撮像装置を構成するチャージポンプ型昇圧回路のオシレータ回路を示している。 図８は、上記実施形態２のチャージポンプ型昇圧回路を構成するオシレータ回路の動作を説明する図である。 図９は、従来のＡＰＳ型イメージセンサの一画素部を示す図である。 図１０は、ＡＰＳ型イメージセンサの動作を説明する図であり、動作を制御する駆動パルスφＲ、駆動パルスφＳ、および駆動パルスφＴＸのタイミングを示している。 図１１は、埋め込み型フォトダイオードを有する画素部を説明する図であり、図１１（ａ）は該画素部の断面構造を示し、図１１（ｂ）はフォトダイオードから電荷検出部までの間でのポテンシャル分布を示している。

符号の説明

１０ａ 画素部
１１ フォトダイオード
１２ 転送トランジスタ
１３ 増幅装置
１４ リセット部
１５ 画素選択部
１７ 垂直信号線
１００ 固体撮像装置
１００ａ 画素アレイ部
１００ｂ 制御部
１０１ チャージポンプ型昇圧回路
１０２ プールキャパシタ
１０３ レベルシフタ
１１０ａ 垂直走査回路
１１０ｂ 水平走査回路
１２０ 信号処理回路
５０１ ポンプ部制御回路
５０２，５０２ａ オシレータ回路
５０３ ポンプ部
６１０ キャパシタ
７０１ 差動増幅回路
７０２ 抵抗分圧回路
８００ 発振部
８０１，８０１ａ 基準電流発生回路
８０２ 発振用ユニット
ＦＤ 電荷検出部
Ｎ１ 入力ノード
Ｎ２ 出力ノード
Ｎ８０ａ 第１のノード
Ｎ８０ｂ 第２のノード
Ｔ８１〜Ｔ９０ ＭＯＳトランジスタ
Ｔ６０１、Ｔ６０２ ＭＯＳトランジスタ

Claims (22)

1. 光電変換より信号電荷を発生する光電変換素子と、該光電変換素子で発生した信号電荷を検出して該信号電荷に対応する電位を発生する電荷検出部と、該信号電荷を該光電変換素子から該電荷検出部に転送する転送トランジスタとを有する画素部を備え、画素読み出し期間内に、該画素部から該電荷検出部の電位を読み出し、続くデータ処理期間内に、該読み出した電荷検出部の電位を信号処理する固体撮像装置であって、
   発振周波数可変のオシレータ回路を有し、該転送トランジスタのゲートに印加するゲート電圧を、該オシレータ回路の発振周波数に応じた、電源電圧より高い電圧レベルに昇圧する昇圧部と、
   該オシレータ回路を、その発振周波数が該画素読み出し期間には低下するよう制御する制御部とを備えた固体撮像装置。
2. 前記光電変換素子は、埋め込み型のフォトダイオードである請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記オシレータ回路は、その駆動電流を決定する複数の抵抗素子を有し、これらの抵抗素子の切り替えにより、その発振周波数が変更されるよう構成されている請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記抵抗素子は、基板上に形成されたポリシリコン層を用いたポリ抵抗、あるいは基板上に形成されたウェル領域を用いたウェル抵抗である請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 前記抵抗素子は、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗を用いたものである請求項２に記載の固体撮像装置。
6. 前記昇圧部は、前記オシレータ回路の出力パルス電圧が印加される第１のキャパシタを有し、該出力パルスによる該第１のキャパシタの充放電により、電源電圧より高い昇圧電圧を発生するポンプ部と、該ポンプ部から出力される昇圧電圧により充電される第２のキャパシタと、前記転送トランジスタのゲートに印加するゲート電圧を、該第２のキャパシタの充電により発生した昇圧電圧にレベルシフトするレベルシフタとを有する請求項１に記載の固体撮像装置。
7. 前記昇圧部は、前記オシレータ回路と、該オシレータ回路の出力パルス電圧が印加される第１のキャパシタを有し、該出力パルスによる該第１のキャパシタの充放電により、電源電圧より高い昇圧電圧を発生するポンプ部と、該ポンプ部の動作を制御するポンプ部制御回路とからなるチャージポンプ型昇圧回路を含み、かつ該ポンプ部から出力される昇圧電圧により充電される第２のキャパシタを含み、
   該ポンプ部制御回路は、該ポンプ部による第２のキャパシタの充電により発生する昇圧電圧を目標電圧と比較し、該昇圧電圧が該目標電圧より大きくなったとき、該ポンプ部の動作を停止させる請求項１に記載の固体撮像装置。
8. 前記オシレータ回路は、入力信号を反転して出力する発振用ユニットを複数段リング状に接続してなる発振部と、該各発振用ユニットに供給される、該発振部の発振周波数を決定するその駆動電流を規定する基準電流を発生する基準電流発生回路とを有し、
   前記制御部は、該基準電流発生回路が発生する基準電流を、該発振部の発振周波数が前記画素読み出し期間内に低下するよう制御する請求項１に記載の固体撮像装置。
9. 前記画素読み出し期間には、前記画素部の、電源電圧にリセットされた前記電荷検出部の電位が、該画素部を含む画素部列に対応する垂直信号線に読み出され、その後、該画素部の、前記信号電荷が転送された該電荷検出部の電位が、該垂直信号線に読み出される請求項８に記載の固体撮像装置。
10. 前記オシレータ回路を構成する発振部は、前記発振用ユニットを素数個有する請求項８に記載の固体撮像装置。
11. 前記オシレータ回路を構成する基準電流発生回路は、電源と接地との間に形成された、直列接続の抵抗素子およびスイッチ素子を含む電流経路を複数有し、
    該複数の電流経路における抵抗素子は異なる抵抗値を有し、
    前記制御部は、該スイッチ素子の制御により、該基準電圧発生回路で発生する前記基準電流を変更して前記発振部の発振周波数を調整する請求項８に記載の固体撮像装置。
12. 前記発振部を構成する発振用ユニットは、その出力ノードと電源との間に直列に接続された第１および第２の第１導電型トランジスタと、その出力ノードと接地との間に直列に接続された第１および第２の第２導電型トランジスタとを有し、該出力ノードは、次段の発振用ユニットの入力ノードである、該異なる導電型のトランジスタの接続点に接続されており、
    前記発振部を構成する基準電流発生回路は、電源と接地との間に直列に導電型の異なる２つのトランジスタを直列に接続してなる直列回路を含み、
    該直列回路は、該スイッチ素子の制御により選択された電流経路に流れる電流と等しい電流が流れるものであり、
    該直流回路を構成する電源側の第１導電型トランジスタと、該発振用ユニットの電源に接続された第１導電型トランジスタとはカレントミラー回路を構成し、
    該直流回路を構成する接地側の第２導電型トランジスタと、該発振用ユニットの接地に接続された第２導電型トランジスタとはカレントミラー回路を構成する請求項８に記載の固体撮像装置。
13. 前記オシレータ回路を構成する基準電流発生回路は、電源と接地との間に形成された、直列接続の第１の抵抗素子および第１のスイッチ素子を含む第１の電流経路と、電源と接地との間に形成された、第２の抵抗素子および第２のスイッチ素子を含む第２の電流経路とを有し、
    該第２の抵抗素子は、該第１の抵抗素子の抵抗値より大きい抵抗値を有し、
    前記制御部は、前記画素読み出し期間内には、該基準電流発生回路の第２の電流経路に前記基準電流が流れるよう、該第１のスイッチ素子をオフし、かつ該第２のスイッチ素子をオンし、前記画素読み出し期間に続くデータ処理期間内には、該基準電流発生回路の第１の電流経路に該基準電流が流れるよう、該第１のスイッチ素子をオンし、かつ該第２のスイッチ素子をオフする請求項８に記載の固体撮像装置。
14. 前記オシレータ回路を構成する基準電流発生回路は、電源と接地との間に形成された、直列接続の第１の抵抗素子および第１のスイッチ素子を含む第１の電流経路と、電源と接地との間に形成された、直列接続の第２の抵抗素子および第２のスイッチ素子を含む第２の電流経路と、電源と接地との間に形成された、直列接続の第３の抵抗素子および第３のスイッチ素子を含む第３の電流経路とを有し、
    該第２の抵抗素子は、該第１の抵抗素子の抵抗値より大きい抵抗値を有し、該第３の抵抗素子は、該第１の抵抗素子の抵抗値と第２の抵抗素子の抵抗値との間の中間的な抵抗値を有し、
    前記制御部は、前記画素読み出し期間内には、該基準電流発生回路の第２の電流経路に前記基準電流が流れるよう、該３つのスイッチ素子を制御し、前記画素読み出し期間に続くデータ処理期間には、最初の一定時間は、該基準電流発生回路の第３の電流経路に該基準電流が流れ、その後、該基準電流発生回路の第１の電流経路に該基準電流が流れるよう、該３つのスイッチ素子を制御する請求項８に記載の固体撮像装置。
15. 光電変換より信号電荷を発生する光電変換素子と、該光電変換素子で発生した信号電荷を検出して該信号電荷に対応する電位を発生する電荷検出部と、該信号電荷を該光電変換素子から該電荷検出部に転送する転送トランジスタとを有する画素部を備えた固体撮像装置を、電源電圧を昇圧して得られる昇圧電圧により駆動する固体撮像装置の駆動方法であって、
    発振周波数可変のオシレータ回路の出力パルスにより駆動されて昇圧用キャパシタを充電するチャージポンプ回路を用いて、該転送トランジスタのゲートに印加するゲート電圧を、該オシレータ回路の発振周波数に応じた、電源電圧より高い昇圧電圧に昇圧し、
    該画素部から該電荷検出部の電位を読み出す画素読み出し期間内には、該昇圧電圧が低下するよう、該オシレータ回路の発振周波数を制御する固体撮像装置の駆動方法。
16. 前記画素読み出し期間に続く、該読み出した電荷検出部の電位を信号処理するデータ処理期間には、その最初の一定時間の間に、該画素読み出し期間内に低下させた昇圧電圧が段階的に上昇するよう、該オシレータ回路の発振周波数を制御する請求項１５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
17. 前記画素読み出し期間に続く、該読み出した電荷検出部の電位を信号処理するデータ処理期間では、その最初の一定時間の間に、該画素読み出し期間内に低下させた昇圧電圧が段階的に上昇し、その後、昇圧電圧が一定レベルに保持され、その最後の一定時間の間に、該昇圧電圧が段階的に低下するよう、該オシレータ回路の発振周波数を制御する請求項１５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
18. 前記光電変換素子は、埋め込み型のフォトダイオードである請求項１５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
19. 前記オシレータ回路に含まれる、その駆動電流を決定するための複数の抵抗素子を切り替えて、該オシレータ回路の発振周波数を変更する請求項１５に記載の固体撮像装置の駆動方法。
20. 前記抵抗素子は、基板上に形成されたポリシリコン層を用いたポリ抵抗、あるいは基板上に形成されたウェル領域を用いたウェル抵抗である請求項１９に記載の固体撮像装置の駆動方法。
21. 前記抵抗素子は、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗を用いたものである請求項１９に記載の固体撮像装置の駆動方法。
22. 請求項１〜１４のいずれかに記載の固体撮像装置を撮像部または／および回路部に用いた電子情報機器。

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