JP2010278746A - 固体撮像素子および電子情報機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】露光時間中の転送トランジスタのチャンネル部で発生する電子(暗電圧)を低減すると共に、転送用のゲート信号を負電圧駆動する際のチャージポンプ回路からのノイズによる画質劣化をより低減する。
【解決手段】光電変換部のノード4への電荷蓄積期間に転送トランジスタ2a,2bの各ゲート電極に制御電位として負電圧を出力すると共に、読み出し期間に、当該ノード4を共有する複数のフォトダイオード1,1bに接続される転送トランジスタ2a,2bの各ゲート電位のそれぞれを負電圧からグランドレベルの0Vに変更するため、負電圧からグランドレベルの0Vへの変更時は、転送トランジスタ2a,2bの各ゲート電極が、負電圧を出力するチャージポンプ回路の出力端から切り離されてグランドレベルの0Vの出力端に接続されている。
【選択図】図1
【解決手段】光電変換部のノード4への電荷蓄積期間に転送トランジスタ2a,2bの各ゲート電極に制御電位として負電圧を出力すると共に、読み出し期間に、当該ノード4を共有する複数のフォトダイオード1,1bに接続される転送トランジスタ2a,2bの各ゲート電位のそれぞれを負電圧からグランドレベルの0Vに変更するため、負電圧からグランドレベルの0Vへの変更時は、転送トランジスタ2a,2bの各ゲート電極が、負電圧を出力するチャージポンプ回路の出力端から切り離されてグランドレベルの0Vの出力端に接続されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、被写体からの入射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素子および、この固体撮像素子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、監視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、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
CCDやCMOSに代表される従来のイメージセンサは、デジタルスチルカメラ、携帯電話用カメラ、ムービーといったモバイル製品から、監視カメラやIPカメラのようなセキュリティ機器に至るまで、近年あらゆる用途で用いられている。特に、CMOSイメージセンサは、次の第1〜第3の3点の特長により、先記したモバイル製品からセキュリティ機器に至る用途において、CCDに取って代わる勢いで用途を伸ばしている。
その第1に、CMOSは、ロジックプロセスと同一またはそれに近いプロセスを用いているため、画像処理を行うデジタルシグナルプロセッサ(DSP)のようなロジック回路や、NTSC出力ドライバに用いられるデジタル−アナログ変換器(DAC)のようなアナログ回路のどちらも同一シリコン基板上に形成することができ、安価で高性能なデバイスの提供を可能にしている。
第2に、CMOSセンサの読み出し方式はCCDのそれとは全く異なり、ダイナミックメモリのように行読み出し線と列読み出し線の交点の画素をピンポイントで読み出すことができるため、ムービーのような高速のストリーミング読み出しを容易にすることができる。
第3に、画素の動作電源電圧が3V前後であり、CCDの10V、−10V程度の高い電圧を必要としないため、非常に低消費電力である。
しかしながら、これらの利点に対して、CMOSイメージセンサには、CMOSイメージセンサが故の、以下に述べるような短所も存在する。
図5は、従来のCMOSイメージセンサの1画素部分の回路図である。なお、ここでは、1画素部分の回路構成を示しているが、実際は複数の画素部がアレイ状に行列方向に配置されてイメージセンサ(固体撮像素子)が構成されている。
図5において、フォトダイオード101は、P型半導体中に形成されたN型半導体領域で構成された受光部であり、光の入射により光電変換して電子(信号電荷)を生成する。このフォトダイオード101に隣接した転送トランジスタ102は、フォトダイオード101で生成された信号電荷をソースフォロワートランジスタである増幅トランジスタ103のゲートに接続されたノード104(一般的にフローティングデフュージョンFDと呼ばれる)に読み出すためのMOSトランジスタ(一般的にTXトランジスタと呼ばれる)であり、TX信号によって転送トランジスタ102のオンオフ動作が制御される。ノード104(FD)に接続されたリセットトランジスタ105は、フォトダイオード101から信号電荷を読み出す前に、ノード104を所定電圧(一般的には電源電圧)にリセットするためのMOSトランジスタであり、リセット信号RESETによってリセットトランジスタ105のオンオフ動作が制御される。増幅トランジスタ103と直列接続される選択トランジスタ106は、複数存在する画素から所望の画素を選択するためのMOSトランジスタであり、セレクト信号SELECTによって選択トランジスタ106のオンオフ動作が制御される。
上記構成により、まず、TX信号によってフォトダイオード101から転送トランジスタ102を通してノード104に読み出された信号電荷は、フローティングデフュージョンFDのノード104にて電圧に変換され、増幅トランジスタ103のゲート電圧を決定する。
このとき、選択トランジスタ106が画素選択されてオンすると、ノード104の電位変化に応じた画素部毎の撮像信号が増幅トランジスタ103を通して読み出し信号線OUTに読み出される。
次に、読み出し信号線OUTに読み出された画素部毎の電圧信号(撮像信号)は、後段のAD変換回路(図示せず)によって、画素部毎に、アナログ信号からデジタル信号に変換されて画像デジタル信号として各種信号処理された後に、表示画面上に表示されたり、メモリに記録されたりする。
図6は、従来の2画素共有のCMOSイメージセンサの1共有単位の回路図である。なお、図5の場合と同様の作用効果を奏する部材については同一の部材番号を付して説明する。
図6において、第1画素のフォトダイオード101aおよび、このフォトダイオード101aからの信号電荷を転送する転送トランジスタ102aと、フォトダイオード101aに隣接して位置する第2画素のフォトダイオード101bおよび、このフォトダイオード101bからの信号電荷を転送する転送トランジスタ102bとの2画素部が、フローティングデフュージョンFDのノード104を共有している。増幅トランジスタ103、リセットトランジスタ105および選択トランジスタ106は、2個の画素部を構成するフォトダイオード101aおよび101bによってノード104と共に共有されており、選択トランジスタ106により画素選択され、リセットトランジスタ105によりノード104を所定電位にリセットした後に、ノード104に読み出された信号電荷は、ノード104により電圧に変換され、増幅トランジスタ103を通して増幅されて画素部毎の電圧信号(撮像信号)として読み出し信号線OUTに出力されて、図示しないAD変換器まで読み出されるようになっている。これらのフォトダイオード101aおよび101bの各信号電荷は交互に読み出される。
このような画素構成は2画素共有型セルと呼ばれており、1画素部当たりのトランジスタ数を削減できるため、フォトダイオード101aおよび101bの画素部の開口率(光を通して受ける面積)を拡げることができて、フォトダイオード101aおよび101bへの光供給量を増やすことができ、SN改善を図ることができる。また、CMOSセンサは、図6からも分かるように、選択信号制御線と読み出し信号線OUTとにより、ランダムにその交点位置に対応する画素部の電圧信号(撮像信号)を読み出すことができるため、順次、直列に信号読み出ししかできないCCD画素部の間引き読み出しなどを、より自由に且つ高速に行うことができる。
しかしながら、このような画素構成であるが故に、CCDの場合に比べて、以下のような短所が存在する。
即ち、図6からも分かるように、CMOSセンサでは、フォトダイオード101aおよび101bからの信号読み出しを転送トランジスタ102aおよび102bで行うため、フォトダイオード101aおよび101bの各カソードである転送トランジスタ102aおよび102bの各ドレインがそれぞれ接続されている。通常、MOSトランジスタのドレインおよびソースは、フォトダイオード101aおよび101bの拡散領域に比べて、桁違いに高い不純物濃度が打ち込まれていることから、この部分で発生した信号電荷がフォトダイオード101aまたは101b側に流れ込み、暗電圧となってフォトダイオード101aまたは101bに電荷蓄積されて、画質劣化(S/N低下)を引き起こすことが知られている。
この画質劣化を低減する方法として、転送トランジスタ102aおよび102bのドレイン/ソースのプロファイルを最適化する努力が続けられてきたが、近年では、フォトダイオード101aおよび101bの露光時間中に、転送トランジスタ102aおよび102bのそれぞれのゲート信号であるTX信号TX0、TX1に対して、負の電圧を印加する方法が用いられている。
この方法は負電圧バイアス法またはNegative Offset Operationなどと呼ばれており、論文などでも紹介されている。例えば、論文「IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.29, NO.4,APRIL 2008」に掲載されている名称が”Negative Offset Operation of Four Transistor CMOS Image Pixels for Increased Well Capacity and Suppressed Dark Current”(Bongki Mheen著)においては、転送トランジスタ102aおよび102bのゲート電極に、−0.6V程度の負電圧を転送電圧として印加することにより、ゲート電圧が通常の0Vの場合に比べて、暗電圧を1/3程度に減少させることができると説明している。
図7は、図6の2画素共有のCMOSイメージセンサを駆動するための各信号制御線の信号波形図である。
図7に示すように、まず、TX信号TX0およびTX1はどちらも−0.6Vに設定されている。TX信号制御線に入力されるTX信号TX0がハイレベル(H)となり、転送トランジスタ102aを通してフォトダイオード101aから信号電荷がノード104に読み出される。この動作はシャッター動作と呼ばれ、このときフォトダイオード101aの蓄積信号電荷(電子)は空状態となる。
次に、TX信号TX0は再び低レベルの−0.6Vとなり、フォトダイオード101に入射光を受光して信号電荷を蓄積させる露光期間に入る。
続いて、TX信号TX1も同様にハイレベル(H)となり、同様にフォトダイオード101bの信号電荷(電子)も空状態となり、その後、再び、TX信号TX1に低レベルの−0.6Vが印加される。ここで用いられている負電圧の−0.6Vはチップ外部から供給することもできるが、通常は、チップを使用するユーザの利便性を考えて、チップ内部に備え付けられたチャージポンプ回路(図示せず)で生成されることが殆どである。
このチャージポンプ回路(図示せず)は、通常は、発振器と電子(信号電荷)をくみ出すポンプの役割をするトランジスタで構成されている。このため、その出力には、常に、発振器の周波数に同期した微小なノイズが重畳されている。チャージポンプ回路自体の出力には平滑用のキャパシタなどが付けられたりもするが、チップ内にそのような大きなキャパシタを設けることは面積的にも不利であり、ある程度のノイズは許容されたものとなっている。
前述したTX信号TX0およびTX1の場合も同様に、通常、チャージポンプ回路の負電圧の−0.6Vが供給され、フォトダイオード101aの露光時間が完了すると、フォトダイオード101aに蓄積された信号電荷を読み出す動作に移行するが、まず、その読み出す動作の前にリセット信号RESETがLaHaLになり、ノード104(FD)の電位を所定電位のリセット電圧(通常は電源電圧)に固定する。リセット信号RESETがハイレベル(H)になるのに前後して、選択信号SELCTがハイレベル(H)になり、リセット電圧に対応した出力電圧が、選択トランジスタ106および増幅とイランジスタ103を通して読み出し信号線OUTに読み出されて、リセット電圧に応じた出力電圧が読み出し信号線OUTに一旦保存される。この読み出されたリセット電圧に応じた出力電圧の保存には、通常、キャパシタが使用される。
続いて、TX信号TX0がハイレベル(H)になり、フォトダイオード101aに露光時間だけ蓄積された信号電荷が転送トランジスタ102aを通してノード104(FD)に読み出される。
さらに、信号電荷が読み出されて電圧変換されたノード104(FD)の撮像電圧に応じた信号電圧が、増幅トランジスタ103を通して、読み出し信号線OUTに撮像信号として読み出され、別のキャパシタにデータ保存される。
このリセット電圧に応じた出力電圧と、読み出された撮像電圧に応じた信号電圧との差分電圧を、図示しないAD変換器でAD変換する。このAD変換したデジタル信号を各種信号処理して画像信号を得る。
続いて、再び、リセット信号RESETがLaHaLになり、ノード104の電位を所定電位のリセット電圧(通常は電源電圧)に固定する。リセット信号RESETがハイレベル(H)になるのに前後して、一旦ローレベル(L)になっていた選択信号SELECTがハイレベル(H)になり、このリセット電圧に応じた出力電圧が、選択トランジスタ106および増幅とイランジスタ103を通して読み出し信号線OUTに読み出されてリセット電圧に応じた出力電圧として一旦保存される。この出力電圧の保存には、前述したように、通常、キャパシタが使用される。
さらに、TX信号TX1がローレベル(L)からハイレベル(H)になり、フォトダイオード101bに所定の露光時間だけ蓄積された信号電荷が転送トランジスタ102bを通してノード104(FD)に読み出されて電圧変換される。
その後、信号電荷が読み出されて電圧変換されたノード104(FD)の撮像電圧に応じた信号電圧が、増幅トランジスタ103を通して、読み出し信号線OUTに読み出され、別のキャパシタにデータ保存される。
このリセット電圧に応じた出力電圧と、読み出された撮像電圧に応じた信号電圧との差分電圧を、図示しないAD変換器でAD変換する。このAD変換したデジタル信号を各種信号処理して画像信号を得る。
論文「IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.29,NO.4,APRIL 2008」(Bongki Mheen著)
前述したフォトダイオード101aからの信号読み出しを行っている場合を更に詳細に説明すると、1回目のリセット電圧の読み出しと、信号電圧の読み出しを行っているときに、別のTX信号TX1は低レベルの−0.6Vになっており、チャージポンプ回路の出力端から電圧供給されている。TX信号TX1は転送トランジスタ102bのゲートを介してノード104(FD)と容量結合されている。よって、チャージポンプ回路で発生している微小な電圧変化(ノイズ)がこの容量結合を通してノード104(FD)に重畳される。チャージポンプ回路で発生しているノイズが1mV以下であっても、CMOSセンサでは、重大な画質劣化を引き起こすことになる。
また、フォトダイオード101bからの信号電荷を読み出している場合も上記と同様である。このフォトダイオード101bからの信号電荷を読み出しているときは、別のTX信号TX0がチャージポンプ回路から電圧供給されているため、やはり、チャージポンプ回路で発生しているノイズが、転送トランジスタ102aの容量結合を通じて、ノード104(FD)に重畳される。
以上のように、2画素共有の画素構造を持つCMOSセンサに、負電圧バイアス法を用いると、チャージポンプ回路の出力端からのノイズが、転送トランジスタ102a、102bのゲートからノード104を通して信号読み出しに重大な影響を及ぼして、画質劣化を引き起こすことになる。
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、転送用のゲート信号を負電圧駆動する際のチャージポンプ回路からのノイズによる画質劣化を低減することができる固体撮像素子、この固体撮像素子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。
本発明の固体撮像素子は、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部からの信号電荷を電位変換部に転送する転送手段と、該電位変換部の電位を所定電位にリセットするリセット手段と、該電位変換部の電位を増幅して信号線に読み出す増幅手段とを少なくとも有する画素部を2次元状に複数配置した画素アレイと、少なくとも該転送手段および該リセット手段を駆動制御する制御部とを有する固体撮像素子において、該制御部は、該光電変換部への電荷蓄積期間に該転送手段の制御電極に制御電位として負電圧を出力し、該電位変換部の電位に応じた電圧を該信号線に読み出す読み出し期間に、当該電位変換部を共有する複数の光電変換部に接続される該転送手段の制御電位のそれぞれを該負電圧から第1電圧に変更した後に、信号転送対象の該光電変換部に接続される転送手段の制御電位を該第1電圧よりも高い第2電圧にして該光電変換部から該電位変換部への電荷転送を行うよう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、本発明の固体撮像素子における負電圧から前記第1電圧への変更時は、前記転送手段の制御電極が、該負電圧を出力するチャージポンプ回路の出力端から切り離されて該第1電圧の出力端に接続されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における負電圧は、チャージポンプ回路の出力端から出力されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第1電位はグランド電圧レベルであり、前記第2電位は安定化電源電圧またはそれ以下の所定電位である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における負電圧は、−0.3V〜−1.0Vである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における制御部は、前記負電圧、前記第1電圧および前記第2電圧のいずれかに切り替える電圧切り替え回路を有している。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電圧切り替え回路において、前記第2電圧と前記負電圧に電圧変換する第1および第2レベルシフタが設けられ、該第1レベルシフタの出力端が第1トランジスタの制御端子に接続され、該第2レベルシフタの出力端が第2トランジスタの制御端子に接続されており、該第1トランジスタおよび該第2トランジスタの各一方駆動端が第3トランジスタの一方駆動端に共通接続され、該第3トランジスタの他方駆動端に前記第2電圧の出力端が接続され、該第1トランジスタの他方駆動端に前記第1電圧の出力端が接続され、該第2トランジスタの他方駆動端に該負電圧の出力端が接続されて、該第1〜第3トランジスタの接続点である出力ノードから、前記転送手段を駆動する転送信号を出力する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における少なくとも前記電位変換部、前記リセット手段および前記増幅手段を共有する前記光電変換素子および前記転送手段の組が2組〜4組のうちのいずれかである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における読み出し期間は、前記リセット手段によるリセット期間を含んでいる。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第2電圧と前記信号線との間に、前記増幅手段と直列接続されて、マトリクス状に配列された複数の光電変換部から該光電変換部を選択するための選択手段が更に配置されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における制御部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す場合に、前記転送手段の制御電圧を負電圧から前記第1電圧に引き上げ、この状態を、該電位変換部を共有する複数の光電変換部のうちのいずれかから前記転送手段さらに前記増幅手段を通して前記信号線に信号読み出しを完了するまでの期間毎に持続させるように制御する。また、制御部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す場合に、前記転送手段の制御電圧を負電圧から前記第1電圧に引き上げ、この状態を、該電位変換部を共有する複数の光電変換部から前記転送手段さらに前記増幅手段を通して前記信号線に信号読み出しを完了するまでの期間の一部または全部持続させるように制御する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における制御部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す場合に、前記転送手段への転送信号を前記負電圧から前記第1電圧に変換し、選択信号をハイレベルにして、前記選択手段を活性化し、リセット信号をハイレベルにして、前記リセット手段を通して前記電位変換部の電位を所定電位のリセット電圧に固定し、前記増幅手段を通して該リセット電圧に対応した電圧を前記信号線に読み出し、転送信号を前記第2電圧にして、前記転送手段を通して、該光電変換部に露光期間蓄積された信号電荷を該電位変換部に読み出して信号電圧に変換し、さらに、該増幅手段を通して該信号電圧に対応した電圧を前記信号線に読み出して、該リセット電圧に対応した電圧と該信号電圧に対応した電圧との差分を撮像信号とする各処理を、該電位変換部を共有する該光電変換部の数だけ繰り返す。
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子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、制御部は、光電変換部への電荷蓄積期間に転送手段の制御電極に制御電位として負電圧を出力し、電位変換部の電位に応じた電圧を信号線に読み出す読み出し期間に、当該電位変換部を共有する複数の光電変換部に接続される転送手段の制御電位のそれぞれを負電圧から第1電圧に変更した後に、信号転送対象の光電変換部に接続される転送手段の制御電位を第1電圧よりも高い第2電圧にして光電変換部から電位変換部への電荷転送を行うように制御する。
これによって、光電変換部への電荷蓄積期間に転送手段の制御電極に制御電位として負電圧を出力するため、露光時間中の転送手段で発生するノイズである電子(暗電圧)を低減することが可能である。また、読み出し期間に、当該電位変換部を共有する複数の光電変換部に接続される転送手段の制御電位のそれぞれを負電圧から第1電圧に変更するため、負電圧から第1電圧への変更時は、転送手段の制御電極が、負電圧を出力するチャージポンプ回路の出力端から切り離されて第1電圧の出力端に接続されることから、転送用のゲート信号を負電圧駆動する際のチャージポンプ回路からのノイズによる画質劣化をより低減することが可能となる。
以上により、本発明によれば、光電変換部への電荷蓄積期間に転送手段の制御電極に制御電位として負電圧を出力するため、露光時間中の転送手段で発生するノイズである電子(暗電圧)を低減することができる。また、読み出し期間に、当該電位変換部を共有する複数の光電変換部に接続される転送手段の制御電位のそれぞれを負電圧から第1電圧に変更するため、負電圧から第1電圧への変更時は、転送手段の制御電極が、負電圧を出力するチャージポンプ回路の出力端から切り離されて第1電圧の出力端に接続されることから、転送用のゲート信号を負電圧駆動する際のチャージポンプ回路からのノイズによる画質劣化をより低減することができる。
以下に、本発明の固体撮像素子の実施形態1および、この固体撮像素子の実施形態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における2画素共有のCMOS固体撮像素子の1共有単位を示す回路図である。
図1は、本発明の実施形態1における2画素共有のCMOS固体撮像素子の1共有単位を示す回路図である。
図1において、本実施形態1の2画素共有のCMOS固体撮像素子10において、第1画素の光電変換部としてのフォトダイオード1aが転送手段としての転送トランジスタ2aを介して、電位変換部(電荷蓄積部)としてのフローティングデフュージョンFDであるノード4に接続され、第2画素の光電変換部としてのフォトダイオード1bが別の転送手段としての転送トランジスタ2bを介して、同じ電位変換部(電荷蓄積部)としてのフローティングデフュージョンFDであるノード4に接続されて、1画素部当たりのトランジスタ数削減や、光開口率を向上させるために2画素共有型セルを構成している。この共有化された電位変換部としてのノード4は、2画素で共有化された増幅手段としての増幅トランジスタ3のゲート(制御電極)に接続されると共に、2画素で共有化されたリセット手段としてのリセットトランジスタ5を介して電源電圧の出力端に接続されている。また、電源電圧の出力端は、2画素で共有化された画素選択手段としての選択トランジスタ6および増幅手段としての増幅トランジスタ3の直列回路を介して読み出し信号線OUT(信号線)に接続されている。制御部としての駆動制御回路7は、転送トランジスタ2aおよび2b、増幅トランジスタ3、リセットトランジスタ5および選択トランジスタ6を駆動制御して、光電変換部としてのフォトダイオード1aおよび1bの信号電荷を順次増幅して読み出し信号線OUTに撮像信号として順次出力するようになっている。
フォトダイオード1aおよび1bは、P型半導体中に形成されたN型半導体領域で構成された隣接する2画素共有の受光部であり、光の入射により光電変換して電子(信号電荷)をそれぞれ生成する。
転送トランジスタ2aは、このフォトダイオード1bに隣接したフォトダイオード1aで生成された信号電荷をソースフォロワートランジスタである増幅トランジスタ3のゲート(制御電極)に接続された電位変換部のノード4に読み出すためのMOSトランジスタであり、駆動制御回路7からの転送信号のTX信号TX0によってオンオフ動作が制御される。また、転送トランジスタ2bは、このフォトダイオード1aに隣接したフォトダイオード1bで生成された信号電荷をソースフォロワートランジスタである増幅トランジスタ3のゲート(制御電極)に接続された電位変換部のノード4に読み出すためのMOSトランジスタであり、駆動制御回路7からの転送信号のTX信号TX1によってオンオフ動作が制御される。
リセットトランジスタ5は、フォトダイオード1aまたは1bからの信号電荷を読み出す前に、電位変換部のノード4を所定電圧(ここでは電源電圧であるが、電源電圧よりも低い電圧であってもよい)にリセットするためのMOSトランジスタであり、制御部としての駆動制御回路7からのリセット信号RESETによってリセットトランジスタ5のオンオフ動作が制御される。
選択トランジスタ6は、マトリクス状に配列され、複数存在する画素から所望の画素を選択するためのMOSトランジスタであり、制御部としての駆動制御回路7からのセレクト信号SELECTによって選択制御が為される。
駆動制御回路7は、本実施形態1の特徴構成を示すものであり、チャージポンプ回路から制御電位として負電圧の−0.6Vが供給され、その後、フォトダイオード1aの露光時間(光電変換部への電荷蓄積期間)が完了した後の画素部の読み出し期間中(リセット信号の読み出し期間も含むと共に、電位変換部(ノード4)で変換した電圧(リセット電圧および信号電圧)を読み出し信号線OUTに読み出す期間に、読み出されているフォトダイオード1a(PD0)を制御しているTX信号TX0と、そのフォトダイオード1aとノード4(FD)を共有しているもう一つの別のフォトダイオード1b(PD1)を制御しているTX信号TX1の両方を、負電圧の−0.6VからGNDレベルの0Vに変更するように制御が為される。また、同様の説明であるが、駆動制御回路7は、チャージポンプ回路からの負電圧が供給され、その後、フォトダイオード1bの露光時間が完了した後の画素部の読み出し期間中に、読み出されているフォトダイオード1b(PD1)を制御しているTX信号TX1と、そのフォトダイオード1bとノード4(FD)を共有しているもう一つの別のフォトダイオード1a(PD0)を制御しているTX信号TX0との両方を、負電圧からGNDレベルの0Vに変更するように制御が為される。
本実施形態1では、負電圧バイアス法を用いていたとしても、チャージポンプ回路からのノイズを読み出し時に重畳させないものである。具体的には、フォトダイオード読み出し時のTX信号TX0およびTX1のL信号レベルを−0.6Vから必要に応じてGNDへ切り替えることによりノイズ重畳を防ぐものである。
図2は、図1の駆動制御回路7においてTX信号TX0およびTX1の電圧切り替え回路の一例を示す回路図である。
図2において、図1の駆動制御回路7は電圧切り替え回路を有しており、その出力ノード76からの出力信号として、TX信号TX0またはTX信号TX1が出力される。電圧切り替え回路を構成するレベルシフタ71および72はそれぞれ、ロジック信号である入力信号(電源電圧2.8VとGNDレベル(0V)の各電圧レベルを持っている)の各電圧を電源電圧2.8Vと負電圧の−0.6Vとに電圧変換するものである。また、電圧切り替え回路を構成するトランジスタ73〜75において、トランジスタ75の一方駆動端がトランジスタ73および74の各一方駆動端に接続されており、3つのトランジスタ73〜75により、トランジスタ75とトランジスタ73および74との接続点である出力ノード76をドライブするものである。このトランジスタ75の他方駆動端は電源電圧2.8Vの出力端に接続され、トランジスタ73の他方駆動端はGNDレベル(0V)に接続され、トランジスタ74の他方駆動端は負電圧の−0.6V(チャージポンプ回路からの出力電圧)の出力端に接続されて、レベルシフタ71および72、トランジスタ75の各入力信号を制御することによって、電源電圧2.8V、GNDレベル(0V)および負電圧の−0.6VのいずれかをTX信号TX0またはTX信号TX1として出力する。
上記構成により、その動作を説明する。
図3は、図1の2画素共有のCMOS固体撮像素子10を駆動するための各信号制御線に入力される信号波形図である。
図3に示すように、まず、駆動制御回路7からのTX信号TX0が負電圧の−0.6Vからハイレベル(H;通常、2.8V程度)になることにより、フォトダイオード1a(PD0)の蓄積信号電荷(電子)が空状態になる(シャッター動作)。
その後、TX信号TX0は負電圧の−0.6Vに戻り、フォトダイオード1a(PD0)への露光が始まる。
次に、駆動制御回路7からのTX信号TX1が負電圧の−0.6Vからハイレベル(H)になることにより、フォトダイオード1b(PD1)の信号電荷(電子)が空状態になり(シャッター動作)、TX信号TX1が低レベル(L)の−0.6Vに戻ることにより、フォトダイオード1b(PD1)の露光が始まる。
さらに、フォトダイオード1a(PD0)の一定露光時間が終了した後、フォトダイオード1a(PD0)に蓄積された信号電荷(電子)を読み出すことになるが、その前に、まず、駆動制御回路7からの選択信号SELECTがハイレベル(H)になって、選択トランジスタ6を活性化し、かつ、リセット信号RESETが一旦、ハイレベル(H)になることにより、ノード4(FD)の電位を所定のリセット電圧(ここでは電源電圧)にリセットし、そのリセット電圧が増幅トランジスタ3を通して、そのリセット電圧に応じた出力電圧が読み出し信号線OUTに読み出される。
このようにして、読み出し信号線OUTに読み出されたリセット時の出力電圧は、CDS回路のキャパシタに保存される。このように、リセット信号RESETがLaHaLになる際に、TX信号TX0およびTX1を負電圧の−0.6Vから一旦GNDレベル(0V)に変換しておく。
これによって、読み出し信号線OUTへのリセット時の出力電圧の読み出し時に、TX信号TX0およびTX1は、GNDレベル(0V)であって、チャージポンプ回路の出力端から切り離されているため、転送トランジスタ2aおよび2bをそれぞれ介してノード4(FD)にチャージポンプ回路のノイズが重畳されることはない。
次に、駆動制御回路7からのTX信号TX0が一旦、ハイレベル(H)になった後に、フォトダイオード1a(PD0)の信号電荷をノード4(FD)に読み出す際も、他方の転送トランジスタ2bのTX信号TX1はLレベルとしてGNDレベル(0V)に保たれる。
このように、フォトダイオード1a(PD0)の信号電荷を転送トランジスタ2aを通してノード4(FD)に読み出して撮像電圧に電圧変換した後に、さらに、増幅トランジスタ3を通して読み出し信号線OUTに信号電圧を読み出し、その読み出し信号線OUTに読み出された信号電圧を、CDS回路の別のキャパシタに読み出す。このときも、リセット電圧に応じた出力電圧の読み出し信号線OUTへの読み出し時と同様に、他方の転送トランジスタ2bのTX信号TX1はGNDレベル(0V)であって、チャージポンプ回路の出力端から切り離されているため、チャージポンプ回路の出力端からのノイズがノード4(FD)側に重畳されることはない。
リセット電圧に応じた出力電圧と、読み出された撮像電圧に応じた信号電圧との差分電圧を、図示しないAD変換器でAD変換する。このAD変換したデジタル信号を各種信号処理して画像信号を得る。
さらに、一方のフォトダイオード1a(PD0)から信号電荷を電圧変換して撮像電圧に電圧変換して読み出し信号線OUTに信号電圧を読み出した後に、駆動制御回路7からの選択信号SELECTがローレベル(L)になって、選択トランジスタ6は不活性化し、このとき、TX信号TX0およびTX1をGNDレベル(0V)から一旦負電圧の−0.6Vに戻す。
他方のフォトダイオード1b(PD1)からの信号電荷をノード4(FD)にて電圧変換して信号電圧を読み出し信号線OUTに読み出す際も、一方のフォトダイオード1a(PD0)からの信号電荷をノード4(FD)にて電圧変換して信号電圧を読み出し信号線OUTに読み出す場合と同様に、リセット信号RESETをハイレベル(H)にすると同時に(またはそれよりも若干前に)、TX信号TX0およびTX1の各電位を負電圧の−0.6VからGNDレベル(0V)に移行させる。このとき、駆動制御回路7からの選択信号SELECTはハイレベル(H)になって、選択トランジスタ6を活性化させる。
これによって、ノード4(FD)のリセット電圧に応じた出力電圧が読み出し信号線OUTに読み出されてキャパシタに一旦保存される。
さらに、TX信号TX1がハイレベル(H)になり、フォトダイオード1bに所定の露光時間だけ蓄積された信号電荷が転送トランジスタ2bを通してノード4(FD)に読み出されて電圧変換される。その電圧変換されたノード4(FD)の撮像電圧に応じた信号電圧が、増幅トランジスタ3を通して、読み出し信号線OUTに読み出されてキャパシタに保存される。
このように、他方のフォトダイオード1b(PD1)の信号読み出しを行っているときも、一方のフォトダイオード1a(PD0)の信号読み出しを行っている場合と同様に、前述したようにチャージポンプ回路のノイズがノード4(FD)側に重畳されることはない。
このリセット電圧に応じた出力電圧と、読み出された撮像電圧に応じた信号電圧との差分電圧を、図示しないAD変換器でAD変換する。このAD変換したデジタル信号を各種信号処理して画像信号を得る。
実際のCMOS固体撮像素子10では、画素部はアレイ状に複数配置されており、TX信号も本実施形態1のように2本だけでなく多数本存在する。例えば、VGAセンサでは、垂直方向には480個の画素部が存在することになり、TX信号もTX0〜TX479まで必要となる。この場合、画素部が本実施形態1で示したような2画素共有構造の場合、TX信号がTX0およびTX1に対して、TX2,3 … TX478,479の2本ずつがペアとなり、例えばTX0,1に関連するフォトダイオードを読み出している時は、TX0,1以外は、−0.6VをGNDレベル(0V)に移行させる必要な全くない。同じく、TX2,3に関連するフォトダイオードを読み出している時は、TX2,3以外は−0.6VをGNDレベル(0V)に移行させる必要は全くない。
したがって、本実施形態1では、暗電圧低減を目指して導入した負電圧バイアス法を用いた場合のチャージポンプ回路からノード4(FD)へ重畳されるノイズを、簡単な電圧切替(負電圧の−0.6VからGNDレベル(0V)への電圧切替)により低減することができる。
即ち、上記実施形態1によれば、光電変換部であるフォトダイオード1a,1bへの電荷蓄積期間(露光期間)に転送トランジスタ2a,2bの各ゲート電極に制御電位として負電圧を出力すると共に、次の信号読み出し期間に、ノード4を共有する複数のフォトダイオード1a,1bに接続される転送トランジスタ2a,2bの各ゲート電位のそれぞれを負電圧からグランドレベルの0Vに変更するため、負電圧からグランドレベルの0Vへの変更時は、転送トランジスタ2a,2bの各ゲート電極が、負電圧を出力するチャージポンプ回路(図示せず)の出力端から切り離されてグランドレベルの0Vの出力端に接続されている。これによって、露光時間中の転送トランジスタ2a,2bに発生する電子(暗電圧)を低減すると共に、転送用のゲート信号を負電圧駆動する際のチャージポンプ回路(図示せず)からのノイズによる画質劣化をより低減することができる。
(実施形態2)
図4は、本発明の実施形態2として、本発明の実施形態1の固体撮像素子10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4は、本発明の実施形態2として、本発明の実施形態1の固体撮像素子10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4において、本実施形態2の電子情報機器90は、上記実施形態1の固体撮像素子10からの撮像信号を所定の信号処理をしてカラー画像信号を得る固体撮像装置91と、この固体撮像装置91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92と、この固体撮像装置91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93と、この固体撮像装置91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94と、この固体撮像装置91からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷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手段95とを有している。なお、この電子情報機器90として、これに限らず、固体撮像装置91の他に、メモリ部92と、表示手段93と、通信手段94と、プリンタなどの画像出力手段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90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、テレビジョン電話装置、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91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手段95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92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、読み出し時に、駆動制御回路7からのTX信号TX0およびTX1を共に、チャージポンプ回路の負電圧−0.6VからGNDレベル(0V)に変更したが、これに限らず、負電圧は−0.3V〜−1.0Vの範囲であればよく、さらに好ましくは、負電圧は−0.5V〜−0.8Vの範囲であればよい。この場合に、露光時間中の転送トランジスタ2aおよび2bの各部で発生する電子(暗電圧)を低減することができる。
また、上記実施形態1では、ノード4(電位変換部)、増幅トランジスタ3、リセットトランジスタ5および選択トランジスタ6を共有する光電変換素子としてのフォトダイオード(光電変換部)1a,1bおよび転送トランジスタ2a,2bのように2組の2画素共有構造の場合について説明したが、これに限らず、光電変換部および転送トランジスタが3組ある3画素共有構造であってもよく、光電変換部および転送トランジスタが4組ある4画素共有構造であってもよい。
さらに、上記実施形態1では、特に簡単に説明しなかったが、駆動制御回路7は、フォトダイオード1aから信号電荷を読み出す場合に、転送トランジスタ2aへのTX信号TX0を負電圧の−0.6Vからグランドレベルの0Vに変換し、選択信号SELECTをハイレベルにして、選択トランジスタ6を活性化し、リセット信号RESETをハイレベルにして、リセットトランジスタ5を通してノード4の電位を所定電位のリセット電圧に固定し、増幅トランジスタ3を通してリセット電圧に応じた出力電圧を読み出し信号線OUTに読み出し、TX信号(転送信号)を電源電圧(ハイレベル)にして、転送トランジスタ2aを通して、フォトダイオード1aに露光期間蓄積された信号電荷をノード4に読み出して電圧変換し、さらに、増幅トランジスタ3を通して撮像電圧に応じた信号電圧を信号線OUTに読み出して、リセット電圧に応じた出力電圧と撮像電圧に応じた信号電圧との差分をAD変換器に出力する各処理を、ノード4を共有するフォトダイオード1a、1bの数(ここでは2)だけ繰り返す。
なお、複数の画素部はアレイ状に配置されているが、所定のFDノードを共有しない画素部、例えば、TX信号(TX0、TX1に対して、TX2,3....)は、TX信号TX0とTX信号TX1が読み出しされている間も、負電圧のままでよく、GNDレベルにする必要はない。
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素子および、この固体撮像素子を、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、監視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、テレビジョン電話装置、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、光電変換部への電荷蓄積期間に転送手段の制御電極に制御電位として負電圧を出力するため、露光時間中の転送トランジスタのチャンネル部で発生する電子(暗電圧)を低減し、読み出し期間に、当該電位変換部を共有する複数の光電変換部に接続される転送手段の制御電位のそれぞれを負電圧から第1電圧に変更するため、負電圧から第1電圧への変更時は、転送手段の制御電極が、負電圧を出力するチャージポンプ回路の出力端から切り離されて第1電圧の出力端に接続されることから、転送用のゲート信号を負電圧駆動する際のチャージポンプ回路からのノイズによる画質劣化をより低減することができる。
1a、1b フォトダイオード(光電変換部)
2a、2b 転送トランジスタ(転送手段)
3 増幅トランジスタ(増幅部)
4 ノード(電位変換部)
5 リセットトランジスタ(リセット手段)
6 選択トランジスタ(選択手段)
7 駆動制御回路(制御部)
OUT 読み出し信号線(信号線)
TX0、TX1 TX信号(転送信号)
RESET リセット信号
SELECT 選択信号
10 CMOS固体撮像素子
90 電子情報機器
91 固体撮像装置
92 メモリ部
93 表示手段
94 通信手段
95 画像出力手段
2a、2b 転送トランジスタ(転送手段)
3 増幅トランジスタ(増幅部)
4 ノード(電位変換部)
5 リセットトランジスタ(リセット手段)
6 選択トランジスタ(選択手段)
7 駆動制御回路(制御部)
OUT 読み出し信号線(信号線)
TX0、TX1 TX信号(転送信号)
RESET リセット信号
SELECT 選択信号
10 CMOS固体撮像素子
90 電子情報機器
91 固体撮像装置
92 メモリ部
93 表示手段
94 通信手段
95 画像出力手段
Claims (12)
- 入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部からの信号電荷を電位変換部に転送する転送手段と、該電位変換部の電位を所定電位にリセットするリセット手段と、該電位変換部の電位を増幅して信号線に読み出す増幅手段とを少なくとも有する画素部を2次元状に複数配置した画素アレイと、少なくとも該転送手段および該リセット手段を駆動制御する制御部とを有する固体撮像素子において、
該制御部は、該光電変換部への電荷蓄積期間に該転送手段の制御電極に制御電位として負電圧を出力し、該電位変換部の電位に応じた電圧を該信号線に読み出す読み出し期間に、当該電位変換部を共有する複数の光電変換部に接続される該転送手段の制御電位のそれぞれを該負電圧から第1電圧に変更した後に、信号転送対象の該光電変換部に接続される転送手段の制御電位を該第1電圧よりも高い第2電圧にして該光電変換部から該電位変換部への電荷転送を行うように制御する固体撮像素子。 - 前記負電圧から前記第1電圧への変更時は、前記転送手段の制御電極が、該負電圧を出力するチャージポンプ回路の出力端から切り離されて該第1電圧の出力端に接続される請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記負電圧は、チャージポンプ回路の出力端から出力されている請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記第1電位はグランド電圧レベルであり、前記第2電位は安定化電源電圧またはそれ以下の所定電圧である請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記負電圧は、−0.3V〜−1.0Vである請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記制御部は、前記負電圧、前記第1電圧および前記第2電圧のいずれかに切り替える電圧切り替え回路を有している請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記電圧切り替え回路において、
前記第2電圧と前記負電圧に電圧変換する第1および第2レベルシフタが設けられ、該第1レベルシフタの出力端が第1トランジスタの制御端子に接続され、該第2レベルシフタの出力端が第2トランジスタの制御端子に接続されており、
該第1トランジスタおよび該第2トランジスタの各一方駆動端が第3トランジスタの一方駆動端に共通接続され、該第3トランジスタの他方駆動端に前記第2電圧の出力端が接続され、該第1トランジスタの他方駆動端に前記第1電圧の出力端が接続され、該第2トランジスタの他方駆動端に該負電圧の出力端が接続されて、該第1〜第3トランジスタの接続点である出力ノードから、前記転送手段を駆動する転送信号を出力する請求項6に記載の固体撮像素子。 - 少なくとも前記電位変換部、前記リセット手段および前記増幅手段を共有する前記光電変換素子および前記転送手段の組が2組〜4組のうちのいずれかである請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記読み出し期間は、前記リセット手段によるリセット期間を含んでいる請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記第2電圧と前記信号線との間に、前記増幅手段と直列接続されて、マトリクス状に配列された複数の光電変換部から該光電変換部を選択するための選択手段が更に配置されている請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記制御部は、前記光電変換部から信号電荷を読み出す場合に、前記転送手段の制御電圧を負電圧から前記第1電圧に引き上げ、この状態を、該電位変換部を共有する複数の光電変換部のうちのいずれかから前記転送手段さらに前記増幅手段を通して前記信号線に信号読み出しを完了するまでの期間毎に持続させるように制御する請求項1に記載の固体撮像素子。
- 請求項1〜11のいずれかに記載の固体撮像素子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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009129056A JP2010278746A (ja) | 2009-05-28 | 2009-05-28 | 固体撮像素子および電子情報機器 |
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JP (1) | JP2010278746A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014023087A (ja) * | 2012-07-23 | 2014-02-03 | Sony Corp | 撮像装置、撮像装置の駆動方法、および撮像表示システム |
JP2017509251A (ja) * | 2014-03-11 | 2017-03-30 | イー・2・ブイ・セミコンダクターズ | 暗電流低減および低電力消費を伴う撮像のための方法 |
-
2009
- 2009-05-28 JP JP2009129056A patent/JP2010278746A/ja not_active Withdrawn
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