JP2011066506A - Solid-state imaging element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve compatibility between the expansion of a dynamic range at low sensitivity, and a high SN ratio at high sensitivity. <P>SOLUTION: A solid-state imaging element includes M (M is an integer of 3 and more) photodiodes PD; an amplification transistor AMP, arranged in common to the M photodiodes PD and outputting a signal corresponding the potential of own input part; M transfer transistors TX arranged corresponding to the M photodiodes PDs at the ratio of one to one and respectively transferring charges from the M photodiodes PD to own output sides of respective transfer transistors TX; and N (N is an integer smaller than M, and 2 or larger) switches FDX1, FDX2. The M transfer transistors TX are divided into N groups, and the N switches FDX1, FDX2 are arranged so that either of N switches in each group is turned on and off, between the output part of the transfer transistor TX and the input part of the amplification transistor AMP. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device.

下記特許文献1に開示された固体撮像素子では、所定数の画素毎に画素ブロックをなし、画素ブロック毎に、当該画素ブロックに属する前記所定数の画素が、1つの増幅トランジスタを共有している。このため、1画素当たりのトランジスタ数を削減することができ、開口率を大きくすることができる。開口率が大きいと、多くの電荷を扱うこととなり、SN比が良くなる。   In the solid-state imaging device disclosed in Patent Literature 1 below, a pixel block is formed for each predetermined number of pixels, and the predetermined number of pixels belonging to the pixel block share one amplification transistor for each pixel block. . Therefore, the number of transistors per pixel can be reduced and the aperture ratio can be increased. When the aperture ratio is large, a lot of charges are handled, and the SN ratio is improved.

そして、下記特許文献1に開示された固体撮像素子では、各画素ブロックにおいて、画素毎に光電変換部及び転送トランジスタが設けられている。各転送トランジスタの出力部は、画素ブロック毎の前記増幅トランジスタの入力部に配線により接続されている。これにより、各画素ブロックの前記増幅トランジスタの入力部には、当該画素ブロックの所定数の転送トランジスタの出力部をなす所定数のフローティング拡散領域や前記配線などによって、固定値のフローティング容量が形成されている。このフローティング容量は、前記転送トランジスタにより前記光電変換部から転送されて来た電荷を電圧に変換し、前記増幅トランジスタはその電圧に応じた信号を出力する。   In the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1 below, each pixel block is provided with a photoelectric conversion unit and a transfer transistor for each pixel. The output part of each transfer transistor is connected to the input part of the amplification transistor for each pixel block by wiring. As a result, a fixed-value floating capacitor is formed at the input portion of the amplification transistor of each pixel block by the predetermined number of floating diffusion regions and the wiring that form the output portions of the predetermined number of transfer transistors of the pixel block. ing. The floating capacitor converts the charge transferred from the photoelectric conversion unit by the transfer transistor into a voltage, and the amplification transistor outputs a signal corresponding to the voltage.

特開2006−73733号公報JP 2006-73733 A

しかしながら、前記従来の固体撮像素子では、前述したように、所定数の転送トランジスタの出力部をなす所定数のフローティング拡散領域や前記配線などによって固定値のフローティング容量が形成されている。前記フローティング拡散領域の容量値自体を小さくしようとしても、転送トランジスタによる電荷転送をいわゆる完全転送に近づけるためには、限界がある。また、前記配線も長くなってしまう。したがって、このフローティング容量の容量値は大きくならざるを得ない。一方、前記フローティング容量の飽和電荷量は前記フローティング容量の容量値に比例し、前記フローティング容量の電荷電圧変換ゲインはその容量値に反比例する。   However, in the conventional solid-state imaging device, as described above, a fixed number of floating capacitors are formed by a predetermined number of floating diffusion regions forming the output portions of a predetermined number of transfer transistors and the wirings. Even if it is attempted to reduce the capacitance value of the floating diffusion region itself, there is a limit in bringing charge transfer by the transfer transistor closer to so-called complete transfer. In addition, the wiring becomes long. Therefore, the capacitance value of this floating capacitor must be increased. On the other hand, the saturation charge amount of the floating capacitor is proportional to the capacitance value of the floating capacitor, and the charge-voltage conversion gain of the floating capacitor is inversely proportional to the capacitance value.

このため、前記従来の固体撮像素子では、前記フローティング容量の飽和電荷量は大きくなるものの、前記フローティング容量の電荷電圧変換ゲインは小さくなってしまう。したがって、前記従来の固体撮像素子では、低感度時のダイナミックレンジの拡大を図ることができるものの、開口率を大きくすることができることの代償として、高感度時の高S/N化を図ることができなかった。   For this reason, in the conventional solid-state imaging device, although the saturation charge amount of the floating capacitor is increased, the charge-voltage conversion gain of the floating capacitor is decreased. Therefore, although the conventional solid-state imaging device can increase the dynamic range at the time of low sensitivity, it is possible to increase the S / N at the time of high sensitivity as a compensation for increasing the aperture ratio. could not.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、開口率を大きくすることができるにも拘わらず、低感度時のダイナミックレンジの拡大と高感度時の高S/N化を両立させることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and in spite of the fact that the aperture ratio can be increased, the expansion of the dynamic range at the time of low sensitivity and the high S / N at the time of high sensitivity are compatible. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device that can be used.

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第1の態様による固体撮像素子は、M個(Mは3以上の整数)の光電変換部と、前記M個の光電変換部に対して共通に設けられた増幅部と、前記M個の光電変換部に対して1対1に設けられ、電荷を前記M個の光電変換部から前記増幅部へそれぞれ転送するM個の転送トランジスタと、前記M個の転送トランジスタがN個(NはMよりも小さい2以上の整数)のグループに分けられて、前記グループ毎に1個ずつ、前記グループに属する前記転送トランジスタと前記増幅部との間に設けられたN個のスイッチと、を備えたものである。   The following aspects are presented as means for solving the problems. The solid-state imaging device according to the first aspect includes M (M is an integer of 3 or more) photoelectric conversion units, an amplification unit provided in common to the M photoelectric conversion units, and the M photoelectric units. M transfer transistors that are provided one-to-one with respect to the conversion unit and transfer charges from the M photoelectric conversion units to the amplification unit, and N transfer transistors (N is greater than M) And an N number of switches provided between the transfer transistor belonging to the group and the amplifying unit, one for each group. It is.

第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記各転送トランジスタの前記出力部はフローティング拡散領域であるものである。   In the solid-state imaging device according to the second aspect, in the first aspect, the output portion of each transfer transistor is a floating diffusion region.

第3の態様による固体撮像素子は、前記第1又は第2の態様において、前記各グループに属する前記転送トランジスタの数が同一であるものである。   In the solid-state imaging device according to the third aspect, the number of the transfer transistors belonging to each group is the same in the first or second aspect.

本発明によれば、開口率を大きくすることができるにも拘わらず、低感度時のダイナミックレンジの拡大と高感度時の高S/N化を両立させることができる固体撮像素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of achieving both expansion of a dynamic range at low sensitivity and high S / N at high sensitivity, although the aperture ratio can be increased. Can do.

本発明の一実施の形態による固体撮像素子を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the solid-state image sensor by one embodiment of this invention. 図1中の画素ブロックを示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a pixel block in FIG. 1. 図1中の画素ブロックを模式的に示す概略平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view schematically showing a pixel block in FIG. 1. 図1に示す固体撮像素子の各動作モードを示すタイミングチャートである。3 is a timing chart showing each operation mode of the solid-state imaging device shown in FIG. 1.

以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施の形態による固体撮像素子を示す概略ブロック図である。図2は、図1中の画素ブロック10を示す回路図である。本実施の形態による固体撮像素子は、CMOS型固体撮像素子として構成されている。   FIG. 1 is a schematic block diagram showing a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram showing the pixel block 10 in FIG. The solid-state imaging device according to the present embodiment is configured as a CMOS solid-state imaging device.

本実施の形態による固体撮像素子は、図1に示すように、2次元状に配置された複数の画素1と、垂直走査回路2と、水平走査回路3と、読み出し回路4と、出力アンプ5と、画素1の各列ごとに設けられ各列ごとの画素1の出力が供給される垂直信号線7とを備えている。各画素1のフォトダイオードPDで光電変換された電気信号は、垂直走査回路2により行単位で垂直信号線7を介して読み出し回路4に取り出され、読み出し回路4に取り出された電気信号は、水平走査回路3により列単位で出力アンプ5を介して出力端子6に順次出力されるようになっている。図1及び図2において、VDDは電源電圧である。   As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device according to the present embodiment includes a plurality of pixels 1 arranged two-dimensionally, a vertical scanning circuit 2, a horizontal scanning circuit 3, a readout circuit 4, and an output amplifier 5. And a vertical signal line 7 provided for each column of the pixels 1 and supplied with the output of the pixel 1 for each column. The electrical signal photoelectrically converted by the photodiode PD of each pixel 1 is taken out by the vertical scanning circuit 2 to the readout circuit 4 via the vertical signal line 7 in units of rows, and the electrical signal taken out to the readout circuit 4 is horizontal. The scanning circuit 3 sequentially outputs to the output terminal 6 via the output amplifier 5 in units of columns. 1 and 2, VDD is a power supply voltage.

なお、図面では、後述の画素ブロック10の4個の画素1について、図1及び図2中下側から順に符号を1−1〜1−4として、これらを区別しているが、これらを区別しないで説明するときにはこれらに符号1を付して説明する場合がある。また、図面では、画素1−1〜1−4のフォトダイオードの符号をそれぞれPD1〜PD4として、これらを区別しているが、これらを区別しないで説明するときには両者に符号PDを付して説明する場合がある。同様に、画素1−1〜1−4の転送トランジスタの符号をTX1〜TX4として、これらを区別しているが、これらを区別しないで説明するときには両者に符号TXを付して説明する場合がある。   In the drawing, the four pixels 1 of the pixel block 10 to be described later are distinguished from each other with reference numerals 1-1 to 1-4 in order from the lower side in FIGS. 1 and 2, but these are not distinguished. In the following description, reference numeral 1 may be attached to the description. In the drawings, the photodiodes of the pixels 1-1 to 1-4 are distinguished from each other as PD1 to PD4, respectively. However, when they are described without distinguishing them, both are denoted by the reference numeral PD. There is a case. Similarly, the transfer transistors of the pixels 1-1 to 1-4 are distinguished from each other as TX1 to TX4. However, when the description is made without distinguishing these, the description may be given with the reference TX. .

本実施の形態では、前記複数の画素1は、光電変換部としてのフォトダイオードPDが列方向に順次並んだM個の画素1毎に画素ブロック10をなしている。本実施の形態ではM=4とされているが、本発明ではMは3以上であればよい。図2に示すように、各画素ブロック10毎に、当該画素ブロック10に属する4個の画素1(1−1〜1−4)が、1組のフローティング容量部20、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST及び選択トランジスタSELを共有している。したがって、1画素当たりのトランジスタ数を削減することができ、開口率を大きくすることができる。フローティング容量部20は、可変の容量値を持ち、転送されてきた電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部を構成している。フローティング容量部20の構成については、後述する。   In the present embodiment, the plurality of pixels 1 form a pixel block 10 for each of M pixels 1 in which photodiodes PD as photoelectric conversion units are sequentially arranged in the column direction. In the present embodiment, M = 4, but in the present invention, M may be 3 or more. As shown in FIG. 2, for each pixel block 10, four pixels 1 (1-1 to 1-4) belonging to the pixel block 10 include one set of floating capacitor unit 20, amplification transistor AMP, and reset transistor. The RST and the selection transistor SEL are shared. Therefore, the number of transistors per pixel can be reduced and the aperture ratio can be increased. The floating capacitor unit 20 has a variable capacitance value, and constitutes a charge-voltage converter that converts the transferred charge into a voltage. The configuration of the floating capacitor unit 20 will be described later.

増幅トランジスタAMPは、自身の入力部(ゲート)の電位(フローティング容量部20の電位)に応じた信号を出力する増幅部を構成している。リセットトランジスタRSTは、フローティング容量部20の電位をリセットするリセット部を構成している。選択トランジスタSELは、当該画素ブロック10を選択するための選択部を構成している。フォトダイオードPD及び転送トランジスタTXは、4個の画素1(1−1〜1−4)で共有されることなく、画素1毎に設けられている。これにより、転送トランジスタTXは、フォトダイオードPDに対して1対1に設けられている。各転送トランジスタTXは、対応するフォトダイオードPDの電荷を、自身の出力部(後述する拡散領域21〜24)側へ転送する。図1及び図2では、nは画素ブロック10の行を示している。例えば、1行目乃至4行目の画素1により1行目の画素ブロック10が構成され、5行目乃至8行目の画素1により2行目の画素ブロック10が構成されている。   The amplification transistor AMP constitutes an amplification unit that outputs a signal corresponding to its own input unit (gate) potential (the potential of the floating capacitor unit 20). The reset transistor RST constitutes a reset unit that resets the potential of the floating capacitor unit 20. The selection transistor SEL constitutes a selection unit for selecting the pixel block 10. The photodiode PD and the transfer transistor TX are provided for each pixel 1 without being shared by the four pixels 1 (1-1 to 1-4). As a result, the transfer transistors TX are provided one-to-one with respect to the photodiode PD. Each transfer transistor TX transfers the charge of the corresponding photodiode PD to the output section (diffusion regions 21 to 24 described later) side. In FIG. 1 and FIG. 2, n indicates a row of the pixel block 10. For example, a pixel block 10 in the first row is constituted by the pixels 1 in the first row to the fourth row, and a pixel block 10 in the second row is constituted by the pixels 1 in the fifth row to the eighth row.

本実施の形態では、各画素ブロック10において、M個の転送トランジスタTXがN個(NはMよりも小さい2以上の整数)のグループに分けられて、N個のスイッチFDXが、前記グループ毎に1個ずつ、前記グループに属する転送トランジスタTXの出力部と増幅トランジスタAMPの入力部との間をオンオフするように設けられている。本実施の形態では、M=4、N=2とされ、各グループの転送トランジスタTXの数は同じ2個とされている。図2では、前記2個のスイッチFDXを区別して、それぞれ符号FDX1,FDX2を付している。スイッチFDX1,FDX2の具体的な接続関係については、後述する。フローティング容量部20は、前述したスイッチFDX1,FDX2、後述するフローティング拡散領域21〜29による容量、及び、関連する配線による容量等によって構成されている。   In this embodiment, in each pixel block 10, M transfer transistors TX are divided into N groups (N is an integer of 2 or more smaller than M), and N switches FDX are provided for each group. Are provided so as to turn on and off between the output part of the transfer transistor TX belonging to the group and the input part of the amplification transistor AMP. In this embodiment, M = 4 and N = 2, and the number of transfer transistors TX in each group is the same two. In FIG. 2, the two switches FDX are distinguished from each other and denoted by reference numerals FDX1 and FDX2, respectively. A specific connection relationship between the switches FDX1 and FDX2 will be described later. The floating capacitor unit 20 includes the above-described switches FDX1 and FDX2, capacitors formed by floating diffusion regions 21 to 29 described later, and capacitors formed by related wirings.

図3は、行方向に並んだ図1中の2個の画素ブロック10を模式的に示す概略平面図である。実際には、フォトダイオードPDの上部にはカラーフィルタやマイクロレンズ等が配置されるが、ここでは省略する。なお、図3において、グランド線のレイアウトは省略している。   FIG. 3 is a schematic plan view schematically showing two pixel blocks 10 in FIG. 1 arranged in the row direction. In practice, a color filter, a microlens, and the like are disposed above the photodiode PD, but are omitted here. In FIG. 3, the layout of the ground line is omitted.

本実施の形態では、N型シリコン基板(図示せず)上にP型ウエル(図示せず)が設けられ、前記P型ウエル中にフォトダイオードPDなどの画素部における各素子が配置されている。図3において、符号21〜32は、前述した各トランジスタの一部となっているN型不純物拡散領域である。符号41〜49は、ポリシリコンによる各トランジスタのゲート電極である。なお、拡散領域30は電源電圧VDDが印加される電源拡散部である。符号21〜29はフローティング容量部20を構成する拡散領域である。   In this embodiment, a P-type well (not shown) is provided on an N-type silicon substrate (not shown), and each element in the pixel portion such as a photodiode PD is arranged in the P-type well. . In FIG. 3, reference numerals 21 to 32 denote N-type impurity diffusion regions which are part of the above-described transistors. Reference numerals 41 to 49 denote gate electrodes of the respective transistors made of polysilicon. The diffusion region 30 is a power supply diffusion portion to which the power supply voltage VDD is applied. Reference numerals 21 to 29 denote diffusion regions constituting the floating capacitor unit 20.

フォトダイオードPD1〜PD4は、前記P型ウエル中に設けられたN型の電荷蓄積層(図示せず)とその表面側に配置されたP型の空乏化防止層(図示せず)からなる埋め込み型フォトダイオードである。フォトダイオードPD1〜PD4は、入射する光を光電変換し、生じた電荷をその電荷蓄積層に蓄積する。   The photodiodes PD1 to PD4 are embedded by an N-type charge storage layer (not shown) provided in the P-type well and a P-type depletion prevention layer (not shown) disposed on the surface side thereof. Type photodiode. The photodiodes PD1 to PD4 photoelectrically convert incident light and store the generated charges in the charge storage layer.

転送トランジスタTX1は、フォトダイオードPD1の電荷蓄積層をソース、拡散領域21をドレイン(出力部)、ゲート電極41をゲートとするnMOSトランジスタである。転送トランジスタTX2は、フォトダイオードPD2の電荷蓄積層をソース、拡散領域22をドレイン、ゲート電極42をゲートとするnMOSトランジスタである。転送トランジスタTX3は、フォトダイオードPD3の電荷蓄積層をソース、拡散領域23をドレイン、ゲート電極43をゲートとするnMOSトランジスタである。転送トランジスタTX4は、フォトダイオードPD4の電荷蓄積層をソース、拡散領域24をドレイン、ゲート電極44をゲートとするnMOSトランジスタである。   The transfer transistor TX1 is an nMOS transistor in which the charge storage layer of the photodiode PD1 is a source, the diffusion region 21 is a drain (output unit), and the gate electrode 41 is a gate. The transfer transistor TX2 is an nMOS transistor having the charge storage layer of the photodiode PD2 as a source, the diffusion region 22 as a drain, and the gate electrode 42 as a gate. The transfer transistor TX3 is an nMOS transistor having the charge storage layer of the photodiode PD3 as a source, the diffusion region 23 as a drain, and the gate electrode 43 as a gate. The transfer transistor TX4 is an nMOS transistor having the charge storage layer of the photodiode PD4 as a source, the diffusion region 24 as a drain, and the gate electrode 44 as a gate.

転送トランジスタTX1のゲート電極41は、画素行毎に、垂直走査回路2からの制御信号φTX1を導く制御線に接続されている。転送トランジスタTX2のゲート電極42は、画素行毎に、垂直走査回路2からの制御信号φTX2を導く制御線に接続されている。転送トランジスタTX3のゲート電極43は、画素行毎に、垂直走査回路2からの制御信号φTX3を導く制御線に接続されている。転送トランジスタTX4のゲート電極44は、画素行毎に、垂直走査回路2からの制御信号φTX4を導く制御線に接続されている。   The gate electrode 41 of the transfer transistor TX1 is connected to a control line that guides the control signal φTX1 from the vertical scanning circuit 2 for each pixel row. The gate electrode 42 of the transfer transistor TX2 is connected to a control line that guides the control signal φTX2 from the vertical scanning circuit 2 for each pixel row. The gate electrode 43 of the transfer transistor TX3 is connected to a control line that guides the control signal φTX3 from the vertical scanning circuit 2 for each pixel row. The gate electrode 44 of the transfer transistor TX4 is connected to a control line that guides the control signal φTX4 from the vertical scanning circuit 2 for each pixel row.

スイッチFDX1は、拡散領域25をソース、拡散領域26をドレイン、ゲート電極45をゲートとするnMOSトランジスタである。スイッチFDX2は、拡散領域27をソース、拡散領域28をドレイン、ゲート電極46をゲートとするnMOSトランジスタである。拡散領域21,22,25間が、配線51によって接続されている。拡散領域23,24,27間が、配線52によって接続されている。スイッチFDX1のゲート電極45は、画素ブロック行毎に、垂直走査回路2からの制御信号φFDX1を導く制御線に接続されている。スイッチFDX2のゲート電極46は、画素ブロック行毎に、垂直走査回路2からの制御信号φFDX2を導く制御線に接続されている。   The switch FDX1 is an nMOS transistor having the diffusion region 25 as a source, the diffusion region 26 as a drain, and the gate electrode 45 as a gate. The switch FDX2 is an nMOS transistor having the diffusion region 27 as a source, the diffusion region 28 as a drain, and the gate electrode 46 as a gate. The diffusion regions 21, 22, 25 are connected by wiring 51. The diffusion regions 23, 24 and 27 are connected by a wiring 52. The gate electrode 45 of the switch FDX1 is connected to a control line that guides the control signal φFDX1 from the vertical scanning circuit 2 for each pixel block row. The gate electrode 46 of the switch FDX2 is connected to a control line that guides the control signal φFDX2 from the vertical scanning circuit 2 for each pixel block row.

リセットトランジスタRSTは、電源拡散領域30をドレイン、拡散領域29をソース、ゲート電極47をゲートとするnMOSトランジスタである。増幅トランジスタAMPは、電源拡散領域30をドレイン、拡散領域31をソース、ゲート電極48をゲート(入力部)とするnMOSトランジスタである。拡散領域26,28,29及びゲート電極48間が、配線53,54によって接続されている。リセットトランジスタRSTのゲート電極47は、画素ブロック行毎に、垂直走査回路2からの制御信号φRSTを導く制御線に接続されている。   The reset transistor RST is an nMOS transistor having the power source diffusion region 30 as a drain, the diffusion region 29 as a source, and the gate electrode 47 as a gate. The amplification transistor AMP is an nMOS transistor having the power source diffusion region 30 as a drain, the diffusion region 31 as a source, and the gate electrode 48 as a gate (input portion). The diffusion regions 26, 28, 29 and the gate electrode 48 are connected by wirings 53, 54. The gate electrode 47 of the reset transistor RST is connected to a control line that guides the control signal φRST from the vertical scanning circuit 2 for each pixel block row.

選択トランジスタSELは、拡散領域31をドレイン、拡散領域32をソース、ゲート電極49をゲートとするnMOSトランジスタである。拡散領域32は、垂直信号線7に接続されている。選択トランジスタSELのゲート電極49は、画素ブロック行毎に、垂直走査回路2からの制御信号φSELを導く制御線に接続されている。   The selection transistor SEL is an nMOS transistor having the diffusion region 31 as a drain, the diffusion region 32 as a source, and the gate electrode 49 as a gate. The diffusion region 32 is connected to the vertical signal line 7. The gate electrode 49 of the selection transistor SEL is connected to a control line that guides a control signal φSEL from the vertical scanning circuit 2 for each pixel block row.

各トランジスタTX1〜TX4,RST,SEL及びスイッチFDX1,FDX2は、対応する制御信号φTX1〜φTX4,φRST,φSEL,φFDX1,φFDX2がハイレベル“H”のときにオンし、ローレベル“L”のときにオフする。   The transistors TX1 to TX4, RST, SEL and the switches FDX1, FDX2 are turned on when the corresponding control signals φTX1 to φTX4, φRST, φSEL, φFDX1, φFDX2 are at the high level “H”, and when they are at the low level “L”. Turn off.

フローティング容量部20は、スイッチFDX1,FDX2のゲートに供給される制御信号φFDX1,φFDX2により、次の第1乃至第3の状態となる。   The floating capacitor unit 20 enters the following first to third states by the control signals φFDX1 and φFDX2 supplied to the gates of the switches FDX1 and FDX2.

第1の状態は、φFDX1とφFDX2が両方とも“H”で、スイッチFDX1,FDX2が両方ともオンしている状態である。この状態では、増幅トランジスタAMPの入力部(ゲート)に対して、拡散領域21〜29の容量、増幅トランジスタAMPのゲート容量、及びそれらを結ぶ配線の容量が、寄与することになる。したがって、増幅トランジスタAMPのゲートに対するフローティング容量部20の静電容量値は大きくなるため、高い飽和電荷量の出力信号が得られる。   The first state is a state in which both φFDX1 and φFDX2 are “H” and both the switches FDX1 and FDX2 are on. In this state, the capacitance of the diffusion regions 21 to 29, the gate capacitance of the amplification transistor AMP, and the capacitance of the wiring connecting them contribute to the input portion (gate) of the amplification transistor AMP. Therefore, since the capacitance value of the floating capacitance unit 20 with respect to the gate of the amplification transistor AMP is increased, an output signal with a high saturation charge amount can be obtained.

第2の状態は、φFDX1が“H”でφFDX2が“L”で、スイッチFDX1がオンでスイッチFDX2がオフの場合である。この状態では、増幅トランジスタAMPの入力部(ゲート)に対して、拡散領域21,22,25,26,28,29の容量、増幅トランジスタAMPのゲート容量、及びそれらを結ぶ配線の容量は寄与するが、拡散領域23,24,27及びそれらを結ぶ配線の容量は寄与しない。したがって、第2の状態における増幅トランジスタAMPのゲートに対するフローティング容量部20の静電容量値は、前記第1の状態と比較して、おおよそ半分の値となる。このため、第2の状態では、フローティング容量部20の電荷電圧変換ゲインが高くなり、高感度の出力信号が得られる。   The second state is when φFDX1 is “H”, φFDX2 is “L”, switch FDX1 is on, and switch FDX2 is off. In this state, the capacitance of the diffusion regions 21, 22, 25, 26, 28, and 29, the gate capacitance of the amplification transistor AMP, and the capacitance of the wiring connecting them contribute to the input portion (gate) of the amplification transistor AMP. However, the capacitance of the diffusion regions 23, 24, 27 and the wiring connecting them does not contribute. Therefore, the capacitance value of the floating capacitor unit 20 with respect to the gate of the amplification transistor AMP in the second state is approximately half that of the first state. For this reason, in the second state, the charge-voltage conversion gain of the floating capacitor 20 becomes high, and a highly sensitive output signal is obtained.

第3の状態はφFDX2が“H”でφFDX1が“L”で、スイッチFDX2がオンでスイッチFDX1がオフの場合である。この状態では、増幅トランジスタAMPの入力部(ゲート)に対して、拡散領域23,24,27,26,28,29の容量、増幅トランジスタAMPのゲート容量、及びそれらを結ぶ配線の容量は寄与するが、拡散領域21,22,25及びそれらを結ぶ配線の容量は寄与しない。したがって、第2の状態における増幅トランジスタAMPのゲートに対するフローティング容量部20の静電容量値は、前記第1の状態と比較して、おおよそ半分の値となる。このため、第3の状態では、フローティング容量部20の電荷電圧変換ゲインが高くなり、高S/Nで高感度の出力信号が得られる。   The third state is when φFDX2 is “H”, φFDX1 is “L”, switch FDX2 is on, and switch FDX1 is off. In this state, the capacitance of the diffusion regions 23, 24, 27, 26, 28, 29, the gate capacitance of the amplification transistor AMP, and the capacitance of the wiring connecting them contribute to the input portion (gate) of the amplification transistor AMP. However, the capacitance of the diffusion regions 21, 22, 25 and the wiring connecting them does not contribute. Therefore, the capacitance value of the floating capacitor unit 20 with respect to the gate of the amplification transistor AMP in the second state is approximately half that of the first state. For this reason, in the third state, the charge-voltage conversion gain of the floating capacitor unit 20 is increased, and an output signal with high S / N and high sensitivity can be obtained.

図4(a)は、本実施の形態による固体撮像素子の第1の動作モードを示すタイミングチャートである。この第1の動作モードは、前記第1の状態を使用して飽和電荷量の大きい(ダイナミックレンジの広い)出力信号を得る場合の動作モードである。(n)はn行目の画素ブロック10の信号であることを示している。   FIG. 4A is a timing chart showing a first operation mode of the solid-state imaging device according to the present embodiment. This first operation mode is an operation mode in the case where an output signal having a large saturation charge amount (a wide dynamic range) is obtained using the first state. (N) indicates a signal of the pixel block 10 in the nth row.

本実施の形態では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素ブロック10のフォトダイオードPD1〜PD4の電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、画素ブロック10が1行ずつ順次選択され、各1行について順次同じ動作が行われていく。図4(a)は、n行目の画素ブロック10が選択された場合の動作を示している。なお、垂直信号線7に信号が出力された後の読み出し回路4及び水平走査回路3の動作については、公知であるので、以下ではその説明は省略する。これらの点は、後述する図4(b)についても同様である。   In this embodiment, after a mechanical shutter (not shown) is opened for a predetermined exposure period and charges are accumulated in the charge accumulation layers of the photodiodes PD1 to PD4 of each pixel block 10, the pixel block 10 is moved to one row. These are sequentially selected one by one, and the same operation is sequentially performed for each row. FIG. 4A shows an operation when the pixel block 10 in the n-th row is selected. Since the operations of the readout circuit 4 and the horizontal scanning circuit 3 after the signal is output to the vertical signal line 7 are known, the description thereof will be omitted below. These points also apply to FIG. 4B described later.

この第1の動作モードでは、制御信号φFDX1,φFDX2は両方とも“H”で固定する。   In the first operation mode, the control signals φFDX1 and φFDX2 are both fixed at “H”.

n行目の画素ブロック10が選択されると、制御信号φSEL(n)を“H”にすることで、n行目の画素ブロック10を垂直信号線7に接続する。   When the pixel block 10 in the n-th row is selected, the control signal φSEL (n) is set to “H” to connect the pixel block 10 in the n-th row to the vertical signal line 7.

そして、制御信号φRST(n)を“H”にしてフローティング容量部20の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。次いで、制御信号φTX1(n)を“H”にしてフォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷をフローティング容量部20で電圧に変換し、増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。   Then, the control signal φRST (n) is set to “H” to reset the potential of the floating capacitor 20, and the dark level voltage is amplified by the amplification transistor AMP and output to the vertical signal line 7. Next, the control signal φTX1 (n) is set to “H”, the signal charge stored in the photodiode PD1 is converted into a voltage by the floating capacitor unit 20, amplified by the amplification transistor AMP, and output to the vertical signal line 7.

次に、制御信号φRST(n)を“H”にしてフローティング容量部20の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。次いで、制御信号φTX2(n)を“H”にしてフォトダイオードPD2に蓄積された信号電荷をフローティング容量部20で電圧に変換し、増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。   Next, the control signal φRST (n) is set to “H” to reset the potential of the floating capacitor 20, and a dark level voltage is amplified by the amplification transistor AMP and output to the vertical signal line 7. Next, the control signal φTX2 (n) is set to “H”, the signal charge accumulated in the photodiode PD2 is converted into a voltage by the floating capacitor unit 20, amplified by the amplification transistor AMP, and output to the vertical signal line 7.

次に、制御信号φRST(n)を“H”にしてフローティング容量部20の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。次いで、制御信号φTX3(n)を“H”にしてフォトダイオードPD3に蓄積された信号電荷をフローティング容量部20で電圧に変換し、増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。   Next, the control signal φRST (n) is set to “H” to reset the potential of the floating capacitor 20, and a dark level voltage is amplified by the amplification transistor AMP and output to the vertical signal line 7. Next, the control signal φTX3 (n) is set to “H”, the signal charge accumulated in the photodiode PD3 is converted into a voltage by the floating capacitor unit 20, amplified by the amplification transistor AMP, and output to the vertical signal line 7.

次に、制御信号φRST(n)を“H”にしてフローティング容量部20の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。制御信号φTX4(n)を“H”にしてフォトダイオードPD4に蓄積された信号電荷をフローティング容量部20で電圧に変換し、増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。   Next, the control signal φRST (n) is set to “H” to reset the potential of the floating capacitor 20, and a dark level voltage is amplified by the amplification transistor AMP and output to the vertical signal line 7. The control signal φTX4 (n) is set to “H”, the signal charge accumulated in the photodiode PD4 is converted into a voltage by the floating capacitor unit 20, amplified by the amplification transistor AMP, and output to the vertical signal line 7.

その後、制御信号φSEL(n)を“L”にして画素ブロック10を垂直信号線7から切り離す。以上でn行目の画素ブロック10の4画素行分の読出しが終了する。他の行の画素ブロック10の読み出しについても、同様に行われる。   Thereafter, the control signal φSEL (n) is set to “L” to disconnect the pixel block 10 from the vertical signal line 7. This completes the reading of the four pixel rows of the pixel block 10 in the nth row. The readout of the pixel blocks 10 in other rows is performed in the same manner.

図4(b)は、本実施の形態による固体撮像素子の第2の動作モードを示すタイミングチャートである。この第2の動作モードは、前記第2及び第3の状態を使用して感度の高い出力信号を得る場合の動作モードである。   FIG. 4B is a timing chart showing a second operation mode of the solid-state imaging device according to the present embodiment. The second operation mode is an operation mode in the case where a highly sensitive output signal is obtained using the second and third states.

この第1の動作モードでは、n行目の画素ブロック10が選択されると、制御信号φSEL(n)を“H”にすることで、n行目の画素ブロック10を垂直信号線7に接続する。   In the first operation mode, when the pixel block 10 in the n-th row is selected, the control signal φSEL (n) is set to “H” to connect the pixel block 10 in the n-th row to the vertical signal line 7. To do.

まず、制御信号φFDX1を“H”にし、制御信号φFDX2を“L”にする。   First, the control signal φFDX1 is set to “H”, and the control signal φFDX2 is set to “L”.

そして、制御信号φRST(n)を“H”にしてフローティング容量部20の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。次いで、制御信号φTX1(n)を“H”にしてフォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷をフローティング容量部20で電圧に変換し、増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。   Then, the control signal φRST (n) is set to “H” to reset the potential of the floating capacitor 20, and the dark level voltage is amplified by the amplification transistor AMP and output to the vertical signal line 7. Next, the control signal φTX1 (n) is set to “H”, the signal charge stored in the photodiode PD1 is converted into a voltage by the floating capacitor unit 20, amplified by the amplification transistor AMP, and output to the vertical signal line 7.

次に、制御信号φRST(n)を“H”にしてフローティング容量部20の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。次いで、制御信号φTX2(n)を“H”にしてフォトダイオードPD2に蓄積された信号電荷をフローティング容量部20で電圧に変換し、増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。   Next, the control signal φRST (n) is set to “H” to reset the potential of the floating capacitor 20, and a dark level voltage is amplified by the amplification transistor AMP and output to the vertical signal line 7. Next, the control signal φTX2 (n) is set to “H”, the signal charge accumulated in the photodiode PD2 is converted into a voltage by the floating capacitor unit 20, amplified by the amplification transistor AMP, and output to the vertical signal line 7.

次に、制御信号φFDX1(n)を“L”にし、制御信号φFDX2(n)を“H”にする。   Next, the control signal φFDX1 (n) is set to “L”, and the control signal φFDX2 (n) is set to “H”.

そして、制御信号φRST(n)を“H”にしてフローティング容量部20の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。次いで、制御信号φTX3(n)を“H”にしてフォトダイオードPD3に蓄積された信号電荷をフローティング容量部20で電圧に変換し、増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。   Then, the control signal φRST (n) is set to “H” to reset the potential of the floating capacitor 20, and the dark level voltage is amplified by the amplification transistor AMP and output to the vertical signal line 7. Next, the control signal φTX3 (n) is set to “H”, the signal charge accumulated in the photodiode PD3 is converted into a voltage by the floating capacitor unit 20, amplified by the amplification transistor AMP, and output to the vertical signal line 7.

次に、制御信号φRST(n)を“H”にしてフローティング容量部20の電位をリセットして、暗レベルの電圧を増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。次いで、制御信号φTX4(n)を“H”にしてフォトダイオードPD4に蓄積された信号電荷をフローティング容量部20で電圧に変換し、増幅トランジスタAMPで増幅して垂直信号線7へ出力する。   Next, the control signal φRST (n) is set to “H” to reset the potential of the floating capacitor 20, and a dark level voltage is amplified by the amplification transistor AMP and output to the vertical signal line 7. Next, the control signal φTX4 (n) is set to “H”, the signal charge accumulated in the photodiode PD4 is converted into a voltage by the floating capacitor unit 20, amplified by the amplification transistor AMP, and output to the vertical signal line 7.

その後、制御信号φSEL(n)を“L”にして画素ブロック10を垂直信号線7から切り離す。以上でn行目の画素ブロック10の4画素行分の読出しが終了する。他の行の画素ブロック10の読み出しについても、同様に行われる。   Thereafter, the control signal φSEL (n) is set to “L” to disconnect the pixel block 10 from the vertical signal line 7. This completes the reading of the four pixel rows of the pixel block 10 in the nth row. The readout of the pixel blocks 10 in other rows is performed in the same manner.

本実施の形態では、垂直走査回路2は、外部からの動作モード選択信号φMSに応答して、前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとが選択的に行われるように、前述した各制御信号を送出する。例えば、動作モード選択信号φMSは、低感度撮影時に前記第1の動作モードが行われ、高感度撮影時に前記第2の動作モードが行われるように、外部から供給される。   In the present embodiment, the vertical scanning circuit 2 is described above so that the first operation mode and the second operation mode are selectively performed in response to the operation mode selection signal φMS from the outside. Each control signal is transmitted. For example, the operation mode selection signal φMS is supplied from the outside so that the first operation mode is performed at the time of low-sensitivity imaging and the second operation mode is performed at the time of high-sensitivity imaging.

したがって、本実施の形態によれば、飽和電荷量が大きくダイナミックレンジの広い出力信号を得る第1の動作モードによる撮像と、高S/Nで高感度の出力信号を得る第2の動作モードによる撮像とを選択的に行うことができ、低感度時のダイナミックレンジの拡大と高感度時の高S/N化を両立させることができる。   Therefore, according to the present embodiment, imaging is performed in the first operation mode for obtaining an output signal having a large saturation charge amount and a wide dynamic range, and by the second operation mode for obtaining an output signal with high S / N and high sensitivity. Imaging can be performed selectively, and both expansion of the dynamic range at low sensitivity and high S / N at high sensitivity can be achieved.

ここで、本実施の形態による固体撮像素子と比較される比較例による固体撮像素子について、説明する。この比較例が本実施の形態と異なる所は、各画素ブロック10のフローティング容量部20の構成のみである。この比較例では、フローティング容量部20において、スイッチFDX1,FDX2(したがって、拡散領域25〜28も)が取り除かれ、転送トランジスタTX1〜TX4のドレイン拡散領域21〜24が、配線により増幅トランジスタAMPのゲートに接続される。この比較例は、従来の固体撮像素子に相当している。   Here, a solid-state imaging device according to a comparative example compared with the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described. This comparative example is different from the present embodiment only in the configuration of the floating capacitor 20 of each pixel block 10. In this comparative example, the switches FDX1 and FDX2 (and hence the diffusion regions 25 to 28) are removed from the floating capacitor section 20, and the drain diffusion regions 21 to 24 of the transfer transistors TX1 to TX4 are connected to the gates of the amplification transistors AMP by wiring. Connected to. This comparative example corresponds to a conventional solid-state imaging device.

この比較例では、フローティング容量部20は、増幅トランジスタAMPの入力部(ゲート)に対して、拡散領域21〜24,29の容量、増幅トランジスタAMPのゲート容量、及びそれらを結ぶ配線の容量が、常時寄与する。これを本実施の形態の前記第2の状態と比較すると、増幅トランジスタAMPの入力部(ゲート)に対して寄与する容量は、前記第2の状態では、この比較例と比べて、拡散領域25,26,28の容量の分は増えるものの、拡散領域23,24の容量の分及び寄与する配線が短くてすむ分は減ることになる。また、増幅トランジスタAMPの入力部(ゲート)に対して寄与する容量は、前記第3の状態では、この比較例と比べて、拡散領域27,26,28の容量の分は増えるものの、拡散領域21,22の容量の分及び寄与する配線が短くてすむ分は減ることになる。拡散領域21〜24の容量は、フォトダイオードPDからの電荷の完全転送を図るためにかなり大きくせざるを得ないのに対し、拡散領域25〜28は単なるスイッチを構成するにすぎないからかなり小さくて済む。よって、増幅トランジスタAMPの入力部(ゲート)に対して寄与する容量は、前記第2及び第3の状態では、前記比較例と比べて、トータルでかなり小さくすることができる。したがって、前記第2及び第3の状態では、前記比較例に比べて、フローティング容量部20の電荷電圧変換ゲインがかなり高くなり、より高S/Nで高感度の出力信号が得られる。   In this comparative example, the floating capacitance unit 20 has the capacitance of the diffusion regions 21 to 24 and 29, the gate capacitance of the amplification transistor AMP, and the capacitance of the wiring connecting them to the input portion (gate) of the amplification transistor AMP. Always contribute. When this is compared with the second state of the present embodiment, the capacitance contributing to the input portion (gate) of the amplification transistor AMP is the diffusion region 25 in the second state as compared with this comparative example. , 26, and 28 increase in capacity, but the capacity of the diffusion regions 23 and 24 and the amount of wiring that contributes to the short is reduced. Further, the capacitance contributing to the input portion (gate) of the amplification transistor AMP is larger in the third state than the comparative example, but the capacitance of the diffusion regions 27, 26, and 28 is increased. The capacity of 21 and 22 and the contribution of short contributing wiring are reduced. The capacitances of the diffusion regions 21 to 24 must be considerably large in order to achieve complete transfer of charges from the photodiode PD, whereas the diffusion regions 25 to 28 constitute a mere switch and thus are considerably small. I'll do it. Therefore, the capacitance that contributes to the input portion (gate) of the amplification transistor AMP can be considerably reduced in total in the second and third states compared to the comparative example. Therefore, in the second and third states, the charge-voltage conversion gain of the floating capacitor unit 20 is considerably higher than that in the comparative example, and an output signal with higher S / N and higher sensitivity can be obtained.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this embodiment.

例えば、M個(Mは3以上の整数)の転送トランジスタTXをN個(NはMよりも小さい2以上の整数)のグループに分けるに際し、前記実施の形態では、M=4、N=2とし、各グループの転送トランジスタTXの数は同じ2個とされている。しかしながら、本発明はこれに限られず、例えば、各グループの転送トランジスタTXの数は異なる数にしてもよい。具体例を挙げると、M=3、N=2とし、転送トランジスタTXが1個のグループ(第1グループ)と転送トランジスタTXが2個のグループ(第2グループ)に分けて、第1グループに対してスイッチFDX1を設け、第2グループに対してスイッチFDX2を設けてもよい。この場合、第1グループの転送トランジスタTXに係る画素行のみを間引き読み出しする場合には、スイッチFDX1,FDX2を両方ともオンした動作モードで飽和電荷量が大きくダイナミックレンジの広い出力信号を得ることができるとともに、スイッチFDX1をオンしFDX2をオフした動作モードで感度の高い出力信号を得ることができる。間引き読み出しすることなく全画素行を読み出す場合には、スイッチFDX1,FDX2を両方ともオンした動作モードで、飽和電荷量が大きくダイナミックレンジの広い出力信号を得ればよい。   For example, when M (M is an integer of 3 or more) transfer transistors TX are divided into N groups (N is an integer of 2 or more smaller than M), in the embodiment, M = 4 and N = 2. The number of transfer transistors TX in each group is the same two. However, the present invention is not limited to this. For example, the number of transfer transistors TX in each group may be different. As a specific example, M = 3 and N = 2, and the transfer transistor TX is divided into one group (first group) and the transfer transistor TX is divided into two groups (second group). On the other hand, the switch FDX1 may be provided, and the switch FDX2 may be provided for the second group. In this case, when only the pixel rows related to the transfer transistor TX of the first group are thinned and read, an output signal having a large saturation charge amount and a wide dynamic range can be obtained in an operation mode in which both the switches FDX1 and FDX2 are turned on. In addition, an output signal with high sensitivity can be obtained in an operation mode in which the switch FDX1 is turned on and the FDX2 is turned off. When all the pixel rows are read without performing the thinning-out reading, an output signal having a large saturation charge amount and a wide dynamic range may be obtained in an operation mode in which both the switches FDX1 and FDX2 are turned on.

1(1−1〜1−4) 画素
10 画素ブロック
20 フローティング容量部
21〜29 フローティング拡散領域
PD1〜PD4 フォトダイオード
AMP 増幅トランジスタ
RST リセットトランジスタ
TX1〜TX4 転送トランジスタ
SEL 選択トランジスタ
FDX1,FDX2 スイッチ
1 (1-1 to 1-4) Pixel 10 Pixel block 20 Floating capacitor 21 to 29 Floating diffusion region PD1 to PD4 Photodiode AMP Amplifying transistor RST Reset transistor TX1 to TX4 Transfer transistor SEL Select transistor FDX1, FDX2 Switch

Claims (3)

M個(Mは3以上の整数)の光電変換部と、
前記M個の光電変換部に対して共通に設けられた増幅部と、
前記M個の光電変換部に対して1対1に設けられ、電荷を前記M個の光電変換部から前記増幅部へそれぞれ転送するM個の転送トランジスタと、
前記M個の転送トランジスタがN個(NはMよりも小さい2以上の整数)のグループに分けられて、前記グループ毎に1個ずつ、前記グループに属する前記転送トランジスタと前記増幅部との間に設けられたN個のスイッチと、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
M photoelectric conversion units (M is an integer of 3 or more);
An amplifying unit provided in common for the M photoelectric conversion units;
M transfer transistors that are provided one-to-one with respect to the M photoelectric conversion units and transfer charges from the M photoelectric conversion units to the amplification unit, respectively.
The M transfer transistors are divided into N groups (N is an integer of 2 or more smaller than M), one for each group, between the transfer transistors belonging to the group and the amplification unit. N switches provided in the
A solid-state imaging device comprising:
前記各転送トランジスタの前記出力部はフローティング拡散領域であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the output portion of each transfer transistor is a floating diffusion region. 前記各グループに属する前記転送トランジスタの数が同一であることを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the number of the transfer transistors belonging to each group is the same.
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