JP2008546199A - 対称配置された電界効果トランジスタを有する画素 - Google Patents

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Abstract

画像センサは、アレイ状に配置された複数の光検出器（20、30）と、光検出器によって機能的に共有される複数のトランジスタ（60、90）とを含んでおり、各光検出器と隣接するトランジスタとの距離は実質的に同一にされている。

Description

本発明は、概して、増幅器を共有する複数のフォトダイオードを有するＣＭＯＳ画像センサの分野に関し、より具体的には、画像センサの“単位画素”内で電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が各フォトダイオードから実質的に等間隔に配置されたＣＭＯＳ画像センサに関する。
図１を参照するに、１つの増幅器すなわちソースフォロワ・トランジスタＳＦを共有する２つのフォトダイオードが概略的に示されている。フォトダイオードは電荷を、それぞれの転送ゲートＴＧ１及びＴＧ２を介して、それぞれの浮遊拡散層ＦＤ１及びＦＤ２に転送する。
図２を参照するに、１つの増幅器すなわちソースフォロワＳＦを共有する４つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３及びＰＤ４を有する従来技術に係る典型的な画像センサが概略的に示されている。図２の動作は、図１と同様に、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３及びＰＤ４が電荷を、それぞれの転送ゲートＴＧ１、ＴＧ２、ＴＧ３及びＴＧ４を介して、それぞれの浮遊拡散層ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３及びＦＤ４に転送することを含んでいる。
図３及び４を参照するに、それぞれ、図１及び２の上面図が示されている。画像センサは複数のフォトダイオードとともに、それらに付随する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含んでいる。ＦＥＴは、画像センサの単位セル内で非対称に、且つフォトダイオードから様々な間隔で配置されている。ＦＥＴは、例えば増幅、リセット及び行選択などの、画像センサの様々な機能を提供する働きをする。図１及び２の設計は光学的なフィルファクタを最大化するが、各フォトダイオードを囲む領域の光学的及び静電的な非対称性のために、光利得の固定パターン雑音を有する。
従来技術に係る画像センサは満足のいくものではあるものの、光利得固定パターン雑音のような欠点を有している。故に、光学的フィルファクタを最大化しながら光利得固定パターン雑音を抑制することが望まれる。
本発明は、上記の問題の１つ以上を解決した画像センサを提供することを目的とする。
本発明の一態様に従った画像センサは、アレイ状に配置された複数の光検出器；及び光検出器によって機能的に共有される複数のＦＥＴであり、各光検出器の、隣接ＦＥＴへの距離が実質的に同一である、複数のトランジスタ；を有する。
本発明の上述及びその他の課題は、以下の説明及び図面と併せて検討することにより、更に明らかになる。図面において、複数の図に共通する相等しい要素には、可能な限り、同一の参照符号を用いることとする。
本発明により、増幅器が共有された画素における利得固定雑音が抑制される。
以下の記載では、本発明はソフトウェアプログラムとしての好適な実施形態にて説明されるが、当業者に容易に認識されるように、このようなソフトウェアはハードウェアでも均等に構築され得るものである。
図５を参照するに、２つのフォトダイオード（ＰＤ１及びＰＤ２）20及び30を有する本発明に係る画像センサ10が概略的に示されている。フォトダイオード20及び30は各々、入射光に応答して電荷を蓄積する。２つの転送ゲート（ＴＧ１及びＴＧ２）40及び50は、それぞれ、フォトダイオード20及び30に電気的に接続されており、フォトダイオードからそれに付随する浮遊拡散層に電荷を転送するように順々に電圧パルスを与えられる。浮遊拡散層は電荷を電圧信号に変換する。リセットトランジスタ（ＲＧ）60は各浮遊拡散層（ｎ＋）70及び80の電圧を、フォトダイオード20及び30から浮遊拡散層70及び80に電荷を転送するのに先立って基準電圧に設定する。
ソースフォロワ・トランジスタ（ＳＦ）90すなわち増幅器は、列バス110への出力のために電圧信号を増幅するように、各浮遊拡散層70及び80に共有されている。行選択信号線（ＲＳＥＬ）100は、列バス110に出力する行を選択する。なお、明確にしておくが、転送ゲート40及び50は、各フォトダイオードに対して別個の信号を作り出すために相異なる時点で順々にパルスを与えられ、一方のフォトダイオード20からの電荷が増幅器90を介して列バス110に出力されるように付随する浮遊拡散層70に転送された後に、他方のフォトダイオード30からの電荷が転送される。
図６を参照するに、図５の代替実施形態が示されており、４つのダイオード（ダイオード25及び35が追加されている）が増幅器90を共有している。この実施形態は図５と同じ機能を果たし、４つの転送ゲート40、45、50及び55（転送ゲート45及び55が追加されている）は、電荷をそれぞれの浮遊拡散層70、75、80及び85（浮遊拡散層75及び85が追加されている）に転送するように、時間的に順々にパルスを与えられる。浮遊拡散層70、75、80及び85は電荷を電圧に変換し、この電圧はソースフォロワ・トランジスタ90によって増幅されて列バス110に出力される。
図７を参照するに、図５の上面図が示されており、２×２のアレイ状に配置された複数のフォトダイオード（ＰＤ）を有している。この一群となった４つのフォトダイオード及びそれらに付随するＦＥＴは画素アレイの単位セルを構成している。なお、理解を容易にするために４つのみのフォトダイオードが示されているが、本発明に係る典型的な画像センサ10は、各画素がフォトダイオードを有する様々なサイズのメガピクセル（百万画素級）画像センサを含んでいる。また、ここで参照される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）はリセットトランジスタ60及びソースフォロワ・トランジスタ90である。これらのＦＥＴは、４つの光検出器の各々への近接性に関して対称性をもたらすように設計され、単位セル内に物理的に配置されている。さらに、これらのＦＥＴは、各トランジスタに印加される電圧が各光検出器の近傍における静電ポテンシャルに対して、なるべく同じ、あるいは実質的に同じになるように配置されている。さらに、これらのＦＥＴは機能的に光検出器（ＰＤ）群に共有されている。
ここで説明される本発明は、共有増幅器画素における光利得固定パターン雑音を抑制する手法を提供するものである。画素内にＦＥＴを配置することはｐｎ接合を作り出し、これらｐｎ接合は正電位にバイアスされるので、ＦＥＴ接合は劣った光検出器として作用して光生成電子を収集することができる。このことは、ＦＥＴの周囲に濃いｐウェルが存在しない場合に特に当てはまる。ＦＥＴから共有グループすなわち単位セル内の該ＦＥＴに隣接する光検出器への距離が、単位セル内の各光検出器に関して、等しく、あるいは対称に（又は、実質的に等しく、あるいは対称に）なるようにＦＥＴを配置することにより、単位セル内の全ての光検出器の実効的な量子効率は、同一あるいは実質的に同様になる。図７は、本発明に係る設計を示しており、単位セル内の各光検出器がその隣に物理的に同様に配置されたＦＥＴを有するように、ＦＥＴが配置されている。
別の言い方をすれば、各光検出器はそれらの間に実質的に均一なピッチを有しており、トランジスタは光検出器を囲む領域内で実質的に均一なピッチで配置されている。
図８を参照するに、図６の上面図が示されており、２×４のアレイ状に配置された複数のフォトダイオード（ＰＤ）を有している。この一群となった８個のフォトダイオード及びそれらに付随するＦＥＴは画素アレイの単位セルを構成している。この場合も、理解を容易にするために８個のみのフォトダイオードが示されているが、本発明に係る典型的な画像センサ10は、各画素がフォトダイオードを有する様々なサイズのメガピクセル画像センサを含んでいる。やはり、ここで参照される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）はリセットトランジスタ60及びソースフォロワ・トランジスタ90であり、これらは上述のように動作する。図８は、本発明に係る設計を示しており、単位セル内の各光検出器（ＰＤ）がその隣に物理的に同様に配置されたＦＥＴを有するように、ＦＥＴが配置されている。
図９を参照するに、通常の消費者が慣れ親しんでいる典型的な商業上の実施形態を例示するために、画像センサ10が内部に配置されたデジタルカメラ120の側面図が示されている。
従来技術に係る画像センサを示す概略図であり、１つの増幅器を共有する２つのフォトダイオードとＦＥＴの位置とを例示している。 従来技術に係る画像センサを示す概略図であり、１つの増幅器を共有する４つのフォトダイオードとＦＥＴの位置とを例示している。 図１の画像センサの上面図である。 図２の画像センサの上面図である。 本発明に係る画像センサを示す概略図であり、１つの増幅器を共有する２つのフォトダイオードを例示している。 本発明に係る画像センサを示す概略図であり、１つの増幅器を共有する４つのフォトダイオードを例示している。 図５の画像センサの上面図であり、ＦＥＴの位置を例示している。 図６の画像センサの上面図であり、ＦＥＴの位置を例示している。 図６のレイアウトを有する本発明に係るデジタルカメラを示す側面図である。
符号の説明
10 画像センサ
20、25、30、35 フォトダイオード
40、45、50、55 転送ゲート
60 リセットトランジスタ
70、75、80、85 浮遊拡散層
90 ソースフォロワ・トランジスタ（増幅器）
100 行選択信号線
110 列バス
120 デジタルカメラ

Claims (10)

  1. （ａ）アレイ状に配置された複数の光検出器；及び
    （ｂ）前記光検出器によって機能的に共有される複数のトランジスタであり、各光検出器の、隣接するトランジスタへの距離が実質的に同一である、複数のトランジスタ；
    を有する画像センサ。
  2. 各光検出器の、機能的に共有される複数のトランジスタへの距離が実質的に同一である、請求項１に記載の画像センサ。
  3. 各トランジスタに印加される電位が実質的に同一である、請求項１に記載の画像センサ。
  4. 各トランジスタに印加される電位が実質的に同一である、請求項２に記載の画像センサ。
  5. 各光検出器はそれらの間で実質的に均一なピッチを有し、前記トランジスタは前記複数の光検出器を囲む領域内で実質的に均一なピッチで配置されている、請求項１に記載の画像センサ。
  6. （ａ）アレイ状に配置された複数の光検出器；及び
    （ｂ）前記光検出器によって機能的に共有される複数のトランジスタであり、各光検出器の、隣接するトランジスタへの距離が実質的に同一である、複数のトランジスタ；
    を有する画像センサ
    を有するデジタルカメラ。
  7. 各光検出器の、機能的に共有される複数のトランジスタへの距離が実質的に同一である、請求項６に記載のデジタルカメラ。
  8. 各トランジスタに印加される電位が実質的に同一である、請求項６に記載のデジタルカメラ。
  9. 各トランジスタに印加される電位が実質的に同一である、請求項７に記載のデジタルカメラ。
  10. 各光検出器はそれらの間で実質的に均一なピッチを有し、前記トランジスタは前記複数の光検出器を囲む領域内で実質的に均一なピッチで配置されている、請求項６に記載のデジタルカメラ。
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