JP2009302978A - 固体撮像装置およびその制御方法、電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】受光部の高開口率と共に高速駆動を可能にして高フレームレートを実現する。
【解決手段】垂直デコーダ７は、信号線電位保持部９をオン制御して信号線６の電位を高電位に保持させると共に、選択行のリセットトランジスタ４へのリセット信号ＲＳＴを高電位にして電荷蓄積部３をリセットした後に、リセット信号ＲＳＴの電位を低電位にし、信号線電位保持部９をオフ制御する。信号線電位保持部９のオフ制御後、電荷蓄積部３のリセットレベルを増幅トランジスタ５により信号線６に読み出し、光電変換素子としてのフォトダイオード１ａまたは１ｂからの信号電荷を電荷蓄積部３に転送トランジスタ２ａまたは２ｂにより電荷転送し、電荷転送された電荷蓄積部３の信号レベルを増幅トランジスタ５により信号線６に画素信号として読み出す。画素信号の読み出し後、選択行のリセットトランジスタ４へのリセット制御信号をローリセットとして中間電位にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像装置およびその制御方法、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよび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、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

一般に、従来の増幅型固体撮像装置として、増幅機能を持たせた複数の画素部と、この複数の画素部の周辺部に配置された走査回路とを有し、この走査回路により複数の画素部から各画素データを読み出すものが普及している。このような従来の増幅型固体撮像装置の一例として、複数の画素部が周辺部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により構成されたＡＰＳ(Ａｃｔｉｖｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ)型イメージセンサが知られている。このＡＰＳ型イメージセンサの中でも、近年は高画質が得られる４トランジスタ型が主流になりつつある。

図４は、従来の増幅型固体撮像装置における画素部内に４つのＭＯＳ型トランジスタを備えた４トランジスタ型画素部の構成例を示す回路図である。

図４において、従来の増幅型固体撮像装置における４トランジスタ型画素構成の単位画素部１００の受光部１０１は、通常、埋め込み型フォトダイオードで構成されており、受光部１０１から信号電荷蓄積部１０２（フローティングディフュージョンＦＤ）へは転送トランジスタ１０３により信号電荷が電荷転送される。この信号電荷蓄積部１０２は、受光部１０１から信号電荷が転送される前に、電源電圧Ｖｄｄによりリセットトランジスタ１０４を通してリセットされている。このリセットトランジスタ１０４による信号電荷蓄積部１０３のリセット後および、信号電荷転送後の信号電荷蓄積部１０２の電位に応じて増幅トランジスタ１０５により増幅され、選択トランジスタ１０６を介して読み出し用の信号線１０７に画素信号として読み出され、この読み出された画素信号を、信号線１０７の末端に接続された定電流源負荷１０８で受けて、その後段側に画素信号が出力される。
このような従来の４トランジスタ型画素構成のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、画素ピッチが２．２μｍから１．７５μｍへと微細化が進むと、光電変換素子である受光部１０１の受光面積の縮小による信号電荷量の低下、増幅型ＭＯＳトランジスタの微細化によるノイズの増大などが問題となってくる。このため、トランジスタサイズの微細化よりもトランジスタそのものの数を減らし、トランジスタの占める面積を少なくして光電変換素子（受光部１０１）のサイズを大きくして受光面積を大きくすることが効果的である。この方法として、光電変換素子（受光部１０１）と３個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が提案されている。

図５は、従来の増幅型固体撮像装置における画素部内に３つのＭＯＳ型トランジスタを備えた３トランジスタ型画素部の構成例を示す回路図である。

図５において、従来の増幅型固体撮像装置における３トランジスタ型画素構成の単位画素部２００では、前述した４トランジスタ型画素構成の場合とは異なり、増幅用トランジスタ２０５と信号線２０７との間に選択トランジスタが接続されていない。この信号線２０７には多数の画素部２００が接続されているが、この画素部２００の選択制御は、選択トランジスタによる画素選択ではなく、リセットトランジスタ２０４を制御することによって、信号電荷蓄積部２０２（フローティングディフュージョンＦＤ）の電位を制御することにより行われる。

図６は、図５の画素部のＦＤ電圧制御を行う画素部選択制御方法を説明するための各部の信号を示す波形図である。

図６に示すように、リセットドレイン電圧ＲＤがＨｉｇｈ（ハイレベル）の期間Ｔ１にリセット信号ＲＳＴにより選択行のリセットトランジスタ２０４をオンにして、ハイレベルのリセットドレイン電圧ＲＤにより信号電荷蓄積部２０２のハイレベルリセットを行い、増幅用トランジスタ２０５によりリセットレベルのサンプリングを行って画素部選択を開始する。

この状態で次の期間Ｔ２において、転送信号ＴＸ をハイレベルにして転送トランジスタ２０３をオン状態にして電荷転送した後、増幅用トランジスタ２０５により信号レベルのサンプリングを行う。

その後、期間Ｔ３で、リセットドレイン電圧ＲＤをＬｏｗ（ローレベル）とし、選択行のリセット信号ＲＳＴをハイレベルにして、ローレベルのリセットドレイン電圧ＲＤにより信号電荷蓄積部２０２のローレベルリセットを行って増幅用トランジスタ２０５をオフして画素部の選択を解除する。

その後の非選択の信号電荷蓄積部２０２（フローティングディフュージョンＦＤ）は、ローレベルリセットが行われた状態を維持する。
このような３トランジスタの画素構成例として、非特許文献に示すように、図７〜図９に示す３種類のタイプがある。

図７は、従来の増幅型固体撮像装置の３トランジスタ型画素構成において、リセットトランジスタと増幅用トランジスタの各駆動端をリセットドレイン電圧ＲＤの出力端に共通接続した場合の事例を示す回路図である。

図７に示すように、この画素部３００では、増幅トランジスタ３０５とリセットトランジスタ３０４との各入力端をリセットドレイン電圧ＲＤの出力端に共通接続している。ここでは、全画素部のリセットドレインが共通に接続されているので、５メガピクセルや８メガピクセルのように高画素化が進むにつれて、全画素部のリセットドレインを駆動するのに、容量分が大きくなって駆動時間を要するという問題がある。

図８は、従来の増幅型固体撮像装置の３トランジスタ型画素構成において、電源電圧ＳＶＤＤとリセットドレイン電圧ＲＤの各出力端を別々にした場合の事例を示す回路図である。

図８に示すように、この画素部４００では、増幅トランジスタ４０５に入力する電源電圧ＳＶＤＤとリセットトランジスタ４０４に入力するリセットドレイン電圧ＲＤとが個別に制御できる構成になっている。このリセットドレイン電圧ＲＤは、選択行のみ駆動するので、図７の場合よりも駆動しやすいという長所があるものの、制御線が１本増加するため、制御線の引き回しによってフォトダイオード（受光部４０１）の開口部の面積が少なくなるという問題がある。

図９は、従来の増幅型固体撮像装置の３トランジスタ型画素構成において、リセットトランジスタのリセットドレインを信号線に接続した場合の事例を示す回路図である。

図９に示すように、この画素部５００では、リセットトランジスタ５０４のリセットドレインと信号線５０７とを接続している。信号電荷蓄積部５０２（フローティングディフュージョンＦＤ）の電位を信号線５０７から供給するため、画素信号の読み出し終了後に、信号線５０７の電位をローリセット電圧に制御する必要があり、これが高速信号読み出しに問題となる。

また、ここでも、図７の場合と同様に、全画素のリセットトランジスタ５０４のリセットドレインが信号線５０７に接続されているので、高画素化が進むにつれて、即ち、画素数が多くなるにつれて、リセットトランジスタ５０４のリセットドレインを駆動するのに、容量分が大きくなって駆動時間を要するという問題がある。
Ｋｅｉｊｉ Ｍａｂｕｃｈｉ ｅｔ，ａｌ "ＣＭＯＳ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ ｏｆ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｐｉｘｅｌｓ Ｗｉｔｈ Ｂｕｒｉｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ " ＩＥＥＥ Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｅ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌ ３９ ｐｐ．２４０８ - ２４１５ （２００４）

しかしながら、上記従来の３トランジスタ画素構成例では、できるだけ受光開口部の面積を大きくし、且つ高速に動作させるためには、リセットトランジスタと増幅用トランジスタの各駆動端をリセットドレイン電圧ＲＤの出力端に共通接続した図７の場合および、リセットトランジスタのリセットドレインと信号線を接続した図９の場合の画素構成において、リセットトランジスタのリセットドレインをドライブする時間を短くする必要がある。このためには、リセットドレインの容量を小さくするかまたは、リセットドレインを駆動する電圧範囲を少なくする必要がある。このリセットドレインの容量は、画素数が増えるほど大きくなる。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、受光部の高開口率と共に高速駆動を可能にして高フレームレートを実現することができる固体撮像装置およびその制御方法、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、一または複数の光電変換素子、該光電変換素子からの信号電荷を電荷蓄積部に電荷転送する転送手段、信号線の電位を用いて該電荷蓄積部の電位をリセット可能とするリセット手段および、該電荷蓄積部の電位に応じて増幅して該信号線に画素信号を読み出す増幅手段を有する複数の画素部が２次元状に配置された画素アレイと、該信号線の電位を高電位に保持する信号線電位保持手段と、該転送手段と該リセット手段を制御すると共に、該信号線電位保持手段を制御する制御手段とを有する固体撮像装置であって、該制御手段は、該リセット手段の制御電位を電源電位以上の該高電位、該高電位よりも低い低電位およびこれらの中間の中間電位の３段階に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。

また、好ましくは、本発明の固体撮像装置における制御手段は、前記信号線電位保持手段をオン制御して前記信号線の電位を前記高電位に保持すると共に、選択行のリセット手段へのリセット制御信号を該高電位にして前記電荷蓄積部をリセットした後に、該リセット制御信号を前記低電位にし、該信号線電位保持手段をオフ制御する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における制御手段は、前記信号線電位保持手段のオフ制御後、前記電荷蓄積部のリセットレベルを前記増幅手段により前記信号線に読み出し、前記光電変換素子からの信号電荷を該電荷蓄積部に該転送手段により電荷転送し、電荷転送された電荷蓄積部の信号レベルを該増幅手段により該信号線に画素信号として読み出す。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における制御手段は、前記画素信号の読み出し後、選択行のリセット手段のリセット制御信号を前記中間電位に制御する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における高電位は、前記電源電圧よりも高い電圧をチャージポンプ回路により生成する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における中間電位は、前記電源電圧である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における高電位は、３Ｖ〜３.５Ｖであり、前記低電位は、グランド電圧であり、前記中間電位は、２．５Ｖ〜２．９Ｖである。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置におけるリセット手段の一方駆動端は、隣接するカラム方向の信号線に接続されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における光電変換素子およびこれに直列に接続された前記転送手段の複数組を一つの前記電荷蓄積部で共有している。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における光電変換素子およびこれに直列に接続された前記転送手段の複数組は２または４である。

本発明の固体撮像装置の制御方法は、一または複数の光電変換素子、該光電変換素子からの信号電荷を電荷蓄積部に電荷転送する転送手段、信号線の電位を用いて該電荷蓄積部の電位をリセット可能とするリセット手段および、該電荷蓄積部の電位に応じて増幅して該信号線に画素信号を読み出す増幅手段を有する複数の画素部が２次元状に配置された画素アレイと、該信号線の電位を高電位に保持する信号線電位保持手段と、該転送手段と該リセット手段を制御すると共に、該信号線電位保持手段を制御する制御手段とを有する固体撮像装置の制御方法であって、該信号線電位保持手段が該信号線の電位を高電位に保持すると共に、選択行の該リセット手段へのリセット制御信号を高電位に制御するステップと、該リセット制御信号を低電位にし、該信号線電位保持手段をオフ制御して、該電荷蓄積部のリセットレベルを該増幅手段により該信号線に読み出すステップと、該光電変換素子からの信号電荷を該電荷蓄積部に該転送手段により電荷転送し、その電荷転送された電荷蓄積部の信号レベルを該増幅手段により該信号線に画素信号として読み出すステップとを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像装置の制御方法における画素信号の読み出し後、前記選択行のリセット手段のリセット制御信号を、前記高電位と低電位との間の中間電位に制御するステップを更に有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の制御方法における高電位は、電源電圧よりも高い電圧である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置の制御方法における中間電位は電源電圧であり、前記低電位はグランド電圧である。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像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、制御手段は、リセット手段の制御電位を電源電位以上の高電位、高電位よりも低い低電位およびこれらの中間の中間電位の３段階に制御する。

即ち、制御手段は、信号線電位保持手段をオン制御して信号線の電位を高電位に保持すると共に、選択行のリセット手段へのリセット制御信号を高電位にして電荷蓄積部をリセットした後に、リセット制御信号を低電位にし、信号線電位保持手段をオフ制御する。

その後、制御手段は、信号線電位保持手段のオフ制御後、電荷蓄積部のリセットレベルを増幅手段により信号線に読み出し、光電変換素子からの信号電荷を電荷蓄積部に転送手段により電荷転送し、電荷転送された電荷蓄積部の信号レベルを増幅手段により信号線に画素信号として読み出すように制御する。

さらに、制御手段は、画素信号の読み出し後、選択行のリセット手段のリセット制御信号を中間電位に制御する。

これによって、従来例の図８のように制御線を引き回すことなく、受光部の高開口率と共に、リセットドレインを駆動する電圧を、電源電圧よりも高い高電位にすると共に、電荷蓄積部のローリセットを、リセット手段の制御電圧として電源電圧で行うことにより、高速駆動を可能にして高フレームレートを実現することが可能となる。

以上により、本発明によれば、３トランジスタ画素構成で、従来例の図８のように制御線を引き回すことなく、できるだけ受光開口部の面積を大きくし、且つ、リセットドレインを駆動する電圧を電源電位以上の高電圧にできるため、信号読み出し動作を高速に行うことができる。

以下に、本発明に係る固体撮像装置およびその制御方法の実施形態１および、この固体撮像装置の実施形態１を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る固体撮像装置における画素部内に３つのＭＯＳ型トランジスタを備えた３トランジスタ型画素部の構成例を示す回路図である。

図１に示すように、本実施形態１の固体撮像装置２１において、複数の画素部１０がマトリクス状（２次元状）に行列方向に配置された画素アレイと、各画素部１０からの各画素信号の読み出しを制御する制御手段としての垂直デコーダ７とを有している。

各画素部１０はそれぞれ、３トランジスタ構成であり、入射光を光電変換する光電変換素子としての受光部であるフォトダイオード１ａ、１ｂと、これらのフォトダイオード１ａ、１ｂでそれぞれ光電変換して生成した各信号電荷をそれぞれ電荷転送する転送手段としての転送トランジスタ２ａ、２ｂと、転送トランジスタ２ａ、２ｂでそれぞれ電荷転送された信号電荷をそれぞれ電圧変換する電荷蓄積部３（フローティングディフュージョンＦＤ）と、信号読み出し前に電荷蓄積部３を所定電位にリセットするリセット手段としてのリセットトランジスタ４と、電圧変換された電荷蓄積部３の電位に応じて信号増幅して信号線６に画素信号を出力する増幅手段としての増幅トランジスタ５とを有している。

フォトダイオード１ａおよび転送トランジスタ２ａと、フォトダイオード１ｂおよび転送トランジスタ２ｂとが１個の電荷蓄積部３（フローティングディフュージョンＦＤ）毎に共有されている。ここでは、２個のフォトダイオード１ａ，１ｂを１個の電荷蓄積部３で共有した場合であるが、４個のフォトダイオードを１個の電荷蓄積部３で共有する場合もあり得る。

リセットトランジスタ４のリセットドレインが信号線６に接続されている。なお、リセットトランジスタ４のリセットドレインに接続する信号線６は、ここでは、自らの画素部１０内の信号線６に接続したが、レイアウト的な制約によっては、配線を引き回さずに受光部の開口を確保するために、隣接する画素部１０の信号線６に接続するようにしてもよい。

転送トランジスタ２ａ，２ｂおよびリセットトランジスタ４は、制御部としての垂直デコーダ７からの各種制御信号（リセット信号ＲＳＴ、転送信号［０］および転送信号［１］）によって任意のタイミングで制御が可能である。

垂直デコーダ７は、一定の間隔で各種制御信号を繰り返し出力することにより画素信号を画素ライン毎に読み出し制御するものである。外部からＬＳＩのＩ／Ｏを介して供給される例えば電池電圧などの電源電圧（Ｖｄｄ；２．５Ｖ〜２．９Ｖ）、この電源電圧よりも高い電圧をチャージポンプ回路により生成した高電圧（ＶＤＤ；３Ｖ〜３.５Ｖ）、０Ｖのグランド電圧の３段階の電圧が用いられる。

この垂直デコーダ７は、リセットトランジスタ４のゲート電位が電源電位以上の電位を含む３段階に制御可能とされている。よって、垂直デコーダ７は、リセットトランジスタ４のゲート電位を電源電圧以上の高電位にして、リセットドレイン電圧となる信号線６の電圧を電荷蓄積部３（フローティングディフュージョンＦＤ）により早く通すことができる。

定電流源８は、信号線６に直列に接続された２個のトランジスタで構成されており、その各制御線（バイアス制御信号ＢＩＡＳおよび制御信号ＥＮ）がそれぞれ垂直デコーダ７に接続されている。

信号線電位保持手段としての信号線電位保持部９は、電源電圧Ｖｄｄ以上の電位（電源電圧ＶＤＤ）に信号線６の電位を保持する。要するに、信号線電位保持部９のゲートは、制御線ＸＢＥＮを介して垂直デコーダ７に接続されており、垂直デコーダ７が信号線電位保持部９を制御信号ＸＢＥＮにより制御して信号線７の電位を所定電位（電源電圧Ｖｄｄ以上の電位）に維持できるようにしている。

具体的に制御について説明すると、垂直デコーダ７は、信号線電位保持部９をオン制御して信号線６の電位を高電位に保持させると共に、選択行のリセットトランジスタ４へのリセット信号ＲＳＴを高電位にして電荷蓄積部３をリセットした後に、リセット信号ＲＳＴの電位を低電位にし、信号線電位保持部９をオフ制御する。

さらに、垂直デコーダ７は、信号線電位保持部９のオフ制御後、電荷蓄積部３のリセットレベルを増幅トランジスタ５により信号線６に読み出し、光電変換素子としてのフォトダイオード１ａまたは１ｂからの信号電荷を電荷蓄積部３に転送トランジスタ２ａまたは２ｂにより電荷転送し、電荷転送された電荷蓄積部３の信号レベルを増幅トランジスタ５により信号線６に画素信号として読み出すように制御するものである。

さらに、垂直デコーダ７は、画素信号の読み出し後、選択行のリセットトランジスタ４へのリセット制御信号をローリセットとして中間電位に制御する。

上記構成により、その固体撮像装置２１の動作について説明する。

図２は、図１の固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。

図２に示すように、まず、期間Ｔ１で、垂直デコーダ７によって制御信号ＸＢＥＮをＬｏｗ（ローレベル）にすると共に、リセット信号ＲＳＴをＨｉｇｈ（ハイレベル）にすると、信号線６の電位（高電位；３Ｖ〜３.５Ｖ）がリセットトランジスタ４を通して電荷蓄積部３（フローティングディフュージョンＦＤ）をリセットし、信号線６の電位（高電位；３Ｖ〜３.５Ｖ）と電荷蓄積部３（フローティングディフュージョンＦＤ）の電位とが略等電位になる。

このとき、信号線６の電位は、信号線電位保持部９から、電源電圧Ｖｄｄ（２．５Ｖ〜２．９Ｖ）以上の高電位（３Ｖ〜３.５Ｖ）に昇圧回路（チャージポンプ回路）などを用いて電源電圧として供給することにより、次の電荷転送時に、より多くの信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに受けることができて、完全電荷転送がより可能になる。リセット信号ＲＳＴのハイレベル電位は、電源電圧Ｖｄｄであってもよいが、ここでは、電源電圧Ｖｄｄ（２．５Ｖ〜２．９Ｖ）以上の高電位（３Ｖ〜３.５Ｖ）としている。このように、信号線６およびリセット信号ＲＳＴの電位を、電源電圧Ｖｄｄ（２．５Ｖ〜２．９Ｖ）以上の高電位（３Ｖ〜３.５Ｖ）とすれば、期間Ｔ１を１割程度短くすることができて高速動作が可能となる。

次に、期間Ｔ２で、リセット信号ＲＳＴをローレベルにした後に、制御信号ＸＢＥＮをハイレベルにする。このとき、リセット信号ＲＳＴのフィードスルーの影響で電荷蓄積部３（フローティングディフュージョンＦＤ）の電位が下がって一定電位で安定化する。このときの信号線６の電位は、フローティングディフュージョンＦＤの入力電位ＶＦＤとすると、（ＶＦＤ-Ｖｔｈ -α）になる。ここで、Ｖｔｈは、増幅トランジスタ５の閾値電圧、αは、オーバードライブ電圧である。この信号線６の電位をリセットレベルとして増幅トランジスタ５がサンプリングを行う。

その後、期間Ｔ３で、転送信号ＴＸの電圧をハイレベルにしてフォトダイオード１ａまたは１ｂから電荷蓄積部３に電荷転送を行い、次の期間Ｔ４にて、転送信号ＴＸをローレベルにして、転送トランジスタ２ａまたは２ｂによる電荷転送後の信号線６の電位を増幅トランジスタ５がサンプリングして信号線６に画素信号の読み出しを行う。

続いて、期間Ｔ５で、リセットトランジスタ４によるローレベルリセットを行うために、リセット信号ＲＳＴをハイレベル電圧（例えば３Ｖ〜３.５Ｖ）とローレベル電圧（例えば０Ｖ）の間の電位である中間電位Ｍ（電源電圧Ｖｄｄ；２．５Ｖ〜２．９Ｖ）にする。要するに、リセット信号ＲＳＴの電位を、電源電圧Ｖｄｄ（２．５Ｖ〜２．９Ｖ）以上の高電位（３Ｖ〜３.５Ｖ）から元の電源電圧Ｖｄｄ（２．５Ｖ〜２．９Ｖ）に戻す。

このとき、フローティングディフュージョンＦＤの電位が高い場合、フローティングディフュージョンＦＤから信号線６に信号電荷が抜けるようにするには、中間電位Ｍが信号線６の電位よりも高い必要がある。このとき、フローティングディフュージョンＦＤの電位は、最大でリセットレベルのサンプリング時の信号線６の電位になる。ローレベルリセットとハイレベルリセットの電位差がＶｔｈ+αになり、信号線６の電位が、（ＶＦＤ - ２Ｖｔｈ - α）以下にならなければ、影響しない。これによって、ローレベルリセットがしやすくなり、駆動する電圧範囲が閾値Ｖｔｈ（０.７Ｖ）分だけ少なくなる。
最後に、期間Ｔ６で、リセット信号ＲＳＴがローレベルになると、フローティングディフュージョンＦＤはフィードスルーの影響により電位が下がり、画素信号の読み出し終了となる。

以上により、リセットトランジスタ４の一方駆動端のリセットドレインに接続された信号線６の電位を信号線電位保持部９により、第１電位の高電位（３Ｖ〜３.５Ｖ）に保持し、選択行のリセットトランジスタ４のゲート電極に接続されたリセット制御線を第１電位の高電位にした後に、選択行のリセットトランジスタ４のゲート電極に接続されたリセット制御線を第１電位より低い第２電位の低電位（０Ｖ）にして、信号線電位保持部９をオフ状態にして、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベルを増幅トランジスタ５により信号線６に読み出し、フォトダイオード１ａまたは１ｂで生成された信号電荷を転送トランジスタ２ａまたは２ｂを通してフローティングディフュージョンＦＤに電荷転送を行い、その信号レベルを増幅トランジスタ５により信号線６に画素信号として読み出した後に、選択行のリセット制御線の電位を第３電位の中間電位Ｍ（電源電圧Ｖｄｄ；２．５Ｖ〜２．９Ｖ）にする。

要するに、本実施形態１の固体撮像装置２１の制御方法としては、信号線電位保持部９が信号線６の電位を高電位に保持すると共に、選択行のリセットトランジスタ４へのリセット信号ＲＳＴを高電位に制御するステップと、リセット信号ＲＳＴを低電位にし、信号線電位保持部９をオフ制御して、電荷蓄積部３のリセットレベルを増幅トランジスタ５により信号線６に読み出すステップと、フォトダイオード１ａまたは１ｂからの信号電荷を電荷蓄積部３に転送トランジスタ２ａまたは２ｂにより電荷転送し、その電荷転送された電荷蓄積部３の信号レベルを増幅トランジスタ５により信号線６に画素信号として読み出すステップと、画素信号の読み出し後、選択行のリセットトランジスタ４のリセット信号ＲＳＴ（リセット制御信号）を、高電位と低電位との間の中間電位に制御するステップとを有している。

これによって、電源電圧Ｖｄｄよりも電圧が高い期間Ｔ１のハイレベルリセット期間が、電源電圧Ｖｄｄよりも高い電圧レベルにフローティングディフュージョンＦＤがリセットされるため、より早くハイレベルリセット動作を駆動させることができる。これによって、信号読み出し時間が早くなる。
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２として、本発明の実施形態１の固体撮像装置２１を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図３において、本実施形態２の電子情報機器２０は、上記実施形態１の各画素部１０からの画素信号を各種信号処理してカラー画像信号を得る固体撮像装置２１と、この固体撮像装置２１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部２２と、この固体撮像装置２１からのカラー画像信号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可能とする液晶表示装置などの表示手段２３と、この固体撮像装置２１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段２４と、この固体撮像装置２１からのカラー画像信号を印刷用に所定の信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力装置９５とを有している。また、この電子情報機器２０は、固体撮像装置２１の他に、メモリ部２２と、表示手段２３と、通信手段２４と、画像出力装置９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。

この電子情報機器２０としては、前述したように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、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。

したがって、本実施形態２によれば、この固体撮像装置２１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力装置２５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部２２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。

なお、上記実施形態１では、特に説明しなかったが、複数のフォトダイオード１ａおよび１ｂ、フォトダイオード１ａまたは１ｂからの信号電荷を電荷蓄積部３に電荷転送する転送トランジスタ２ａおよび２ｂ、信号線６の電位を用いて電荷蓄積部３の電位をリセット可能とするリセットトランジスタ４および、この電荷蓄積部３の電位に応じて増幅して信号線６に画素信号を読み出す増幅トランジスタ５を有する複数の画素部１０が２次元状に配置された画素アレイと、信号線６の電位を高電位に保持する信号線電位保持部９と、転送トランジスタ２ａおよび２ｂとリセットトランジスタ４を制御すると共に、信号線電位保持部９を制御する垂直デコーダ７とを有する固体撮像装置２１であって、垂直デコーダ７は、リセットトランジスタ４の制御電位を電源電圧Ｖｄｄ以上の高電圧ＶＤＤ、高電圧ＶＤＤよりも低い低電圧（グランド電圧）およびこれらの中間の中間電圧の電源電圧Ｖｄｄの３段階に制御する。これによって、受光部の高開口率と共に高速駆動を可能にして高フレームレートを実現することができる本発明の目的を達成することができる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１，２を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１，２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１，２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、特許出願および文献は、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、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像装置およびその制御方法、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよび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、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、３トランジスタ画素構成で、従来例の図８のように制御線を引き回すことなく、できるだけ受光開口部の面積を大きくし、且つ、リセットドレインを駆動する電圧を電源電位以上の高電圧にできるため、信号読み出し動作を高速に行うことができる。

本発明の実施形態１に係る固体撮像装置における画素部内に３つのＭＯＳ型トランジスタを備えた３トランジスタ型画素部の構成例を示す回路図である。 図１の固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施形態２として、本発明の実施形態１のセンサモジュールを含む固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 従来の増幅型固体撮像装置における画素部内に４つのＭＯＳ型トランジスタを備えた４トランジスタ型画素部の構成例を示す回路図である。 従来の増幅型固体撮像装置における画素部内に３つのＭＯＳ型トランジスタを備えた３トランジスタ型画素部の構成例を示す回路図である。 図５の画素部のＦＤ電圧制御を行う画素部選択制御方法を説明するための各部の信号を示す波形図である。 従来の増幅型固体撮像装置の３トランジスタ型画素構成において、リセットトランジスタと増幅用トランジスタの各駆動端をリセットドレイン電圧ＲＤの出力端に共通接続した場合の事例を示す回路図である。 従来の増幅型固体撮像装置の３トランジスタ型画素構成において、電源電圧ＳＶＤＤとリセットドレイン電圧ＲＤの各出力端を別々にした場合の事例を示す回路図である。 従来の増幅型固体撮像装置の３トランジスタ型画素構成において、リセットトランジスタのリセットドレインを信号線に接続した場合の事例を示す回路図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ フォトダイオード
２ａ、２ｂ 転送トランジスタ
３ 電荷蓄積部（フローティングディフュージョンＦＤ）
４ リセットトランジスタ
５ 増幅トランジスタ
６ 信号線
７ 垂直デコーダ（制御部）
８ 定電流源
９ 信号線電位保持部
１０ 画素部
２０ 電子情報機器
２１ 固体撮像装置
２２ メモリ部
２３ 表示手段
２４ 通信手段
２５ 画像出力装置

Claims (15)

1. 一または複数の光電変換素子、該光電変換素子からの信号電荷を電荷蓄積部に電荷転送する転送手段、信号線の電位を用いて該電荷蓄積部の電位をリセット可能とするリセット手段および、該電荷蓄積部の電位に応じて増幅して該信号線に画素信号を読み出す増幅手段を有する複数の画素部が２次元状に配置された画素アレイと、該信号線の電位を高電位に保持する信号線電位保持手段と、該転送手段と該リセット手段を制御すると共に、該信号線電位保持手段を制御する制御手段とを有する固体撮像装置であって、
   該制御手段は、該リセット手段の制御電位を電源電位以上の該高電位、該高電位よりも低い低電位およびこれらの中間の中間電位の３段階に制御する固体撮像装置。
2. 前記制御手段は、
   前記信号線電位保持手段をオン制御して前記信号線の電位を前記高電位に保持すると共に、選択行のリセット手段へのリセット制御信号を該高電位にして前記電荷蓄積部をリセットした後に、該リセット制御信号を前記低電位にし、該信号線電位保持手段をオフ制御する請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記制御手段は、
   前記信号線電位保持手段のオフ制御後、前記電荷蓄積部のリセットレベルを前記増幅手段により前記信号線に読み出し、前記光電変換素子からの信号電荷を該電荷蓄積部に該転送手段により電荷転送し、電荷転送された電荷蓄積部の信号レベルを該増幅手段により該信号線に画素信号として読み出す請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記制御手段は、前記画素信号の読み出し後、選択行のリセット手段のリセット制御信号を前記中間電位に制御する請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記高電位は、前記電源電圧よりも高い電圧をチャージポンプ回路により生成する請求項１または２に記載の固体撮像装置。
6. 前記中間電位は、前記電源電圧である請求項１または４に記載の固体撮像装置。
7. 前記高電位は、３Ｖ〜３.５Ｖであり、前記低電位は、グランド電圧であり、前記中間電位は、２．５Ｖ〜２．９Ｖである請求項１、２、５および６のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記リセット手段の一方駆動端は、隣接するカラム方向の信号線に接続されている請求項１に記載の固体撮像装置。
9. 前記光電変換素子およびこれに直列に接続された前記転送手段の複数組を一つの前記電荷蓄積部で共有した請求項１に記載の固体撮像装置。
10. 前記光電変換素子およびこれに直列に接続された前記転送手段の複数組は２または４である請求項９に記載の固体撮像装置。
11. 一または複数の光電変換素子、該光電変換素子からの信号電荷を電荷蓄積部に電荷転送する転送手段、信号線の電位を用いて該電荷蓄積部の電位をリセット可能とするリセット手段および、該電荷蓄積部の電位に応じて増幅して該信号線に画素信号を読み出す増幅手段を有する複数の画素部が２次元状に配置された画素アレイと、該信号線の電位を高電位に保持する信号線電位保持手段と、該転送手段と該リセット手段を制御すると共に、該信号線電位保持手段を制御する制御手段とを有する固体撮像装置の制御方法であって、
    該信号線電位保持手段が該信号線の電位を高電位に保持すると共に、選択行の該リセット手段へのリセット制御信号を高電位に制御するステップと、
    該リセット制御信号を低電位にし、該信号線電位保持手段をオフ制御して、該電荷蓄積部のリセットレベルを該増幅手段により該信号線に読み出すステップと、
    該光電変換素子からの信号電荷を該電荷蓄積部に該転送手段により電荷転送し、その電荷転送された電荷蓄積部の信号レベルを該増幅手段により該信号線に画素信号として読み出すステップとを有する固体撮像装置の制御方法。
12. 前記画素信号の読み出し後、前記選択行のリセット手段のリセット制御信号を、前記高電位と低電位との間の中間電位に制御するステップを更に有する請求項１１に記載の固体撮像装置の制御方法。
13. 前記高電位は、電源電圧よりも高い電圧である請求項１１または１２に記載の固体撮像装置の制御方法。
14. 前記中間電位は電源電圧であり、前記低電位はグランド電圧である請求項１１または１２に記載の固体撮像装置の制御方法。
15. 請求項１〜１０のいずれかに記載の固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。

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