JP2013197697A - Solid-state image pickup device and electronic apparatus - Google Patents

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芳晃 伊藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state image pickup device which can be driven with lower electric power.SOLUTION: A solid-state image pickup device 1 has a pixel part 10 and an intermediate voltage generation circuit 16. The pixel part 10 has a photo-gate, an electric charge voltage conversion part, and a plurality of pixels 20 including a transfer transistor for transferring a signal electric charge accumulated in the photo-gate to the electric charge voltage conversion part. The intermediate voltage generation circuit 16 generates intermediate voltage to be applied to the gate of the transfer transistor, in an intermediate transfer operation at the time of reading the signal electric charge accumulated in the photo-gate by a predetermined number of the intermediate transfer operation and a full transfer operation. Furthermore, the intermediate voltage generation circuit 16 applies the intermediate voltage on a gate electrode of the photo-gate as drive voltage of the photo-gate.

Description

本開示は、固体撮像装置、及び、それを備える電子機器に関する。   The present disclosure relates to a solid-state imaging device and an electronic apparatus including the same.

従来、固体撮像装置として、光電変換素子であるフォトダイオードに蓄積した信号電荷を、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタを介して読み出すCMOS(Complementary MOS)イメージセンサが、様々な用途で用いられている。また、このようなCMOSイメージセンサでは、様々な信号電荷の読み出し手法が提案されている(例えば特許文献1及び2参照)。   Conventionally, as a solid-state imaging device, a CMOS (Complementary MOS) image sensor that reads out signal charges accumulated in a photodiode, which is a photoelectric conversion element, through a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor has been used in various applications. Yes. For such a CMOS image sensor, various signal charge readout methods have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特許文献1には、転送トランジスタによりフォトダイオードからフローティングディフュージョン部に信号電荷を転送する際に、信号電荷を複数回に分割して読み出す手法が提案されている。なお、特許文献1で提案されている読み出し手法では、複数回に分割して読み出した複数の信号を合成することにより、フォトダイオードに蓄積された信号電荷に対応する電圧信号を生成する。   Patent Document 1 proposes a method of reading a signal charge divided into a plurality of times when the signal charge is transferred from the photodiode to the floating diffusion portion by a transfer transistor. Note that in the reading method proposed in Patent Document 1, a voltage signal corresponding to the signal charge accumulated in the photodiode is generated by combining a plurality of signals read out divided into a plurality of times.

また、特許文献2には、画素信号の読み出し時に、AD(Analog to Digital)変換部で行う参照信号と処理対象信号との比較処理と並行して、デジタルCDS(Correlated Double Sampling)処理を行い、ノイズを除去する手法が提案されている。   In Patent Document 2, when a pixel signal is read, a digital CDS (Correlated Double Sampling) process is performed in parallel with a comparison process between a reference signal and a processing target signal performed by an AD (Analog to Digital) conversion unit. A method for removing noise has been proposed.

特開2010−226679号公報JP 2010-226679 A 特開2006−033453号公報JP 2006-033453 A

ところで、従来、様々な構成のCMOS型の固体撮像装置が提案されているが、これらの固体撮像装置では、通常、画素を駆動するアナログ用電源、及び、信号処理を行うロジック部のデジタル用電源の2つの電源が用いられる。この2つの電源電圧のうち、デジタル用電源の電圧は、CMOSプロセスの微細化に伴い、小さくすることができるが、アナログ用電源の電圧は、現状では、小さくすることが難しい状況にある。すなわち、現状では、固体撮像装置をより低電力(低消費電力)で駆動することが困難な状況にある。   Conventionally, CMOS solid-state imaging devices having various configurations have been proposed. In these solid-state imaging devices, an analog power source for driving pixels and a digital power source for a logic unit that performs signal processing are usually used. These two power supplies are used. Of these two power supply voltages, the voltage of the digital power supply can be reduced with the miniaturization of the CMOS process, but the voltage of the analog power supply is currently difficult to reduce. That is, at present, it is difficult to drive the solid-state imaging device with lower power (low power consumption).

本開示は、上記状況を鑑みなされたものであり、本開示の目的は、より低電力で駆動可能な固体撮像装置、及び、それを備える電子機器を提供することである。   The present disclosure has been made in view of the above situation, and an object of the present disclosure is to provide a solid-state imaging device that can be driven with lower power and an electronic apparatus including the solid-state imaging device.

上記課題を解決するために、本開示の固体撮像装置は、画素部と、中間電圧生成回路とを備え、各部の構成を次のようにする。画素部は、フォトゲート、電荷電圧変換部、及び、フォトゲートに蓄積された信号電荷を該電荷電圧変換部に転送する転送トランジスタを含む画素を複数有する。また、中間電圧生成回路は、フォトゲートに蓄積された信号電荷を所定回数の中間転送動作及び完全転送動作により読み出す際の中間転送動作において、転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧を生成する。さらに、中間電圧生成回路は、中間電圧をフォトゲートの駆動電圧としてフォトゲートのゲート電極に印加する。   In order to solve the above problems, a solid-state imaging device of the present disclosure includes a pixel unit and an intermediate voltage generation circuit, and the configuration of each unit is as follows. The pixel portion includes a plurality of pixels including a photogate, a charge-voltage converter, and a transfer transistor that transfers signal charges accumulated in the photogate to the charge-voltage converter. The intermediate voltage generation circuit generates an intermediate voltage to be applied to the gate of the transfer transistor in the intermediate transfer operation when the signal charge accumulated in the photogate is read by a predetermined number of intermediate transfer operations and complete transfer operations. Furthermore, the intermediate voltage generation circuit applies the intermediate voltage to the gate electrode of the photogate as a drive voltage for the photogate.

また、本開示の電子機器は、上記本開示の固体撮像装置と、固体撮像装置の出力信号に対して所定の処理を施す信号処理回路とを備える構成とする。   In addition, an electronic apparatus according to the present disclosure includes the solid-state imaging device according to the present disclosure and a signal processing circuit that performs predetermined processing on an output signal of the solid-state imaging device.

なお、本明細書において、「完全転送動作」とは、フォトゲートに蓄積された信号電荷を転送トランジスタで複数回に分割して電荷電圧変換部に転送する(読み出す)一連の動作において、最後に行う転送動作(読み出し動作)のことをいう。また、本明細書において、「中間転送動作」とは、フォトゲートに蓄積された信号電荷を転送トランジスタで複数回に分割して電荷電圧変換部に転送する一連の動作において、完全転送動作より前に行う転送動作のことをいう。さらに、本明細書では、「中間電圧」とは、転送トランジスタのゲートに印加されるローレベルの電圧より大きく、かつ、完全転送動作時に転送トランジスタのゲートに印加されるハイレベルの電圧より小さい電圧のことをいう。   In this specification, the “complete transfer operation” means that the signal charge accumulated in the photogate is divided into a plurality of times by the transfer transistor and transferred (read) to the charge-voltage conversion unit. This refers to the transfer operation (read operation) to be performed. In this specification, “intermediate transfer operation” refers to a series of operations in which a signal charge accumulated in a photogate is divided into a plurality of times by a transfer transistor and transferred to a charge-voltage converter before a complete transfer operation. This refers to the transfer operation performed. Furthermore, in this specification, the “intermediate voltage” is a voltage that is larger than a low level voltage applied to the gate of the transfer transistor and smaller than a high level voltage applied to the gate of the transfer transistor during the complete transfer operation. I mean.

本開示の固体撮像装置では、画素内の光電変換素子としてフォトゲートを用い、フォトゲートに蓄積された信号電荷を複数回に分割して読み出す。さらに、本開示の固体撮像装置は、中間転送動作時に、転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧を生成する中間電圧生成回路を備え、この中間電圧生成回路により生成された中間電圧でフォトゲートを駆動する。本開示では、このような構成を採用することにより、固体撮像装置を単一の駆動電源で駆動することが可能になる。   In the solid-state imaging device of the present disclosure, a photogate is used as a photoelectric conversion element in a pixel, and signal charges accumulated in the photogate are divided and read out multiple times. Furthermore, the solid-state imaging device of the present disclosure includes an intermediate voltage generation circuit that generates an intermediate voltage applied to the gate of the transfer transistor during the intermediate transfer operation, and drives the photogate with the intermediate voltage generated by the intermediate voltage generation circuit. To do. In the present disclosure, by adopting such a configuration, the solid-state imaging device can be driven by a single drive power supply.

上述のように、本開示によれば、固体撮像装置を単一の駆動電源で駆動することができるので、より低電力で固体撮像装置を駆動することができる。   As described above, according to the present disclosure, since the solid-state imaging device can be driven by a single drive power supply, the solid-state imaging device can be driven with lower power.

本開示の固体撮像装置と従来のそれとの差異を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the difference with the solid-state imaging device of this indication, and the conventional one. 本開示の第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略ブロック構成図である。1 is a schematic block configuration diagram of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1の実施形態に係る固体撮像装置の各画素及び各画素に対応して設けられるカラム処理部内の単位回路の概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of each pixel of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present disclosure and a unit circuit in a column processing unit provided corresponding to each pixel. カラム処理部内の単位回路の動作を説明するための各種信号のタイミングチャートである。It is a timing chart of various signals for explaining operation of a unit circuit in a column processing part. 第1の実施形態に係る固体撮像装置の読み出し動作の手順を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating a procedure of a read operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る固体撮像装置の読み出し動作を説明するための各種信号のタイミングチャートである。6 is a timing chart of various signals for explaining a reading operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る固体撮像装置の中間転送動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the intermediate transfer operation | movement of the solid-state imaging device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る固体撮像装置の完全転送動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the complete transfer operation | movement of the solid-state imaging device which concerns on 1st Embodiment. 本開示の第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略ブロック構成図である。It is a schematic block block diagram of the solid-state imaging device which concerns on 2nd Embodiment of this indication. 第2の実施形態に係る固体撮像装置の最適中間電圧を求めるための測定システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the measurement system for calculating | requiring the optimal intermediate voltage of the solid-state imaging device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る固体撮像装置における最適中間電圧の設定動作の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the setting operation | movement of the optimal intermediate voltage in the solid-state imaging device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る固体撮像装置における最適中間電圧の設定動作を説明するための各種信号のタイミングチャートである。It is a timing chart of various signals for explaining the setting operation of the optimal intermediate voltage in the solid-state imaging device according to the second embodiment. 第2の実施形態において、各画素の中間電圧の最適値を求める手法を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a method for obtaining an optimum value of an intermediate voltage of each pixel in the second embodiment. 本開示の第3の実施形態に係る固体撮像装置の概略ブロック構成図である。It is a schematic block block diagram of the solid-state imaging device which concerns on 3rd Embodiment of this indication. 第3の実施形態に係る固体撮像装置における中間電圧のフィードバック制御動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the feedback control operation | movement of the intermediate voltage in the solid-state imaging device which concerns on 3rd Embodiment. 本開示の固体撮像装置を適用した電子機器の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the electronic device to which the solid-state imaging device of this indication is applied.

以下に、本開示の実施形態に係る固体撮像装置、及び、それを備える電子機器の一例を、図面を参照しながら下記の順で説明する。ただし、本開示は下記の例に限定されない。
1.第1の実施形態:固体撮像装置の基本構成
2.画素信号の読み出し動作
3.第2の実施形態:最適中間電圧が格納された記憶部を備える構成
4.第3の実施形態:中間電圧をフィードバック制御する構成
5.各種変形例
6.電子機器(応用例)の構成
Hereinafter, an example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present disclosure and an electronic apparatus including the solid-state imaging device will be described in the following order with reference to the drawings. However, the present disclosure is not limited to the following example.
1. 1. First embodiment: basic configuration of solid-state imaging device 2. Reading operation of pixel signal Second Embodiment: Configuration including a storage unit storing an optimum intermediate voltage 3. Third embodiment: Configuration for feedback control of intermediate voltage Various modifications 6. Configuration of electronic devices (application examples)

<1.第1の実施形態:固体撮像装置の基本構成>
第1の実施形態では、光電変換素子に蓄積された信号電荷を転送トランジスタにより複数回に分割してフローティングディフュージョン部(以下、FD部と記す)に転送する方式の固体撮像装置の構成例を説明する。なお、以下では、このような方式を分割読み出し方式という。この分割読み出し方式では、通常、分割して読み出した複数の画素信号(出力データ)を最終的には加算して出力する。また、本実施形態では、基板の配線層側の表面から光が照射される表面照射型の固体撮像装置の構成例を説明する。
<1. First Embodiment: Basic Configuration of Solid-State Imaging Device>
In the first embodiment, a configuration example of a solid-state imaging device of a type in which a signal charge accumulated in a photoelectric conversion element is divided into a plurality of times by a transfer transistor and transferred to a floating diffusion portion (hereinafter referred to as an FD portion) will be described. To do. Hereinafter, such a method is referred to as a divided reading method. In this divided readout method, normally, a plurality of pixel signals (output data) read out in a divided manner are finally added and output. In this embodiment, a configuration example of a surface irradiation type solid-state imaging device in which light is irradiated from the surface on the wiring layer side of the substrate will be described.

[低電力駆動の原理の概要]
まず、第1の実施形態に係る分割読み出し方式の固体撮像装置の具体的な構成を説明する前に、本開示の固体撮像装置において低電力駆動が可能となる原理の概要を簡単に説明する。
[Outline of the principle of low power drive]
First, before describing the specific configuration of the solid-state imaging device of the divided readout method according to the first embodiment, an outline of the principle that enables low-power driving in the solid-state imaging device of the present disclosure will be briefly described.

図1(a)及び(b)に、それぞれ、従来及び本開示の固体撮像装置の概略ブロック構成を示す。なお、図1(a)及び(b)では、従来の固体撮像装置200と、本開示の固体撮像装置1との違いを明確にするため、各固体撮像装置の構成を簡略化して記載する。本開示の固体撮像装置1の内部構成の詳細については、後で、図面を参照しながら説明する。   1A and 1B show schematic block configurations of a conventional and the solid-state imaging device of the present disclosure, respectively. 1A and 1B, the configuration of each solid-state imaging device is simplified and described in order to clarify the difference between the conventional solid-state imaging device 200 and the solid-state imaging device 1 of the present disclosure. Details of the internal configuration of the solid-state imaging device 1 of the present disclosure will be described later with reference to the drawings.

従来の固体撮像装置200は、主に、フォトダイオード(以下、PDと記す)を含む画素を複数有する画素部201と、アナログ回路202と、デジタル回路203とで構成される。なお、アナログ回路202は、画素部201から出力されるアナログ信号に対して所定のアナログ処理(例えば、アナログCDS処理、AD変換処理等)を施し、デジタル回路203は、アナログ回路202でデジタル変換された出力データに所定の処理を施す。   The conventional solid-state imaging device 200 mainly includes a pixel unit 201 having a plurality of pixels including photodiodes (hereinafter referred to as PD), an analog circuit 202, and a digital circuit 203. The analog circuit 202 performs predetermined analog processing (for example, analog CDS processing, AD conversion processing, etc.) on the analog signal output from the pixel unit 201, and the digital circuit 203 is digitally converted by the analog circuit 202. The output data is subjected to predetermined processing.

また、図1(a)に示すように、従来の固体撮像装置200に対しては、画素を駆動するためのアナログ用電源204と、デジタル回路203等を駆動するためのデジタル用電源205とが用いられる。それゆえ、従来、固体撮像装置200を駆動するためには2つの電源が必要であり、コストが増大する。また、上述のように、現状では、アナログ用電源204の電源電圧DVDDを小さくすることは困難な状況であるので、低電力化を図ることが難しい。   As shown in FIG. 1A, the conventional solid-state imaging device 200 includes an analog power source 204 for driving pixels and a digital power source 205 for driving the digital circuit 203 and the like. Used. Therefore, conventionally, in order to drive the solid-state imaging device 200, two power supplies are required, which increases the cost. Further, as described above, at present, it is difficult to reduce the power supply voltage DVDD of the analog power supply 204, so it is difficult to reduce the power consumption.

それに対して、本開示の固体撮像装置1では、次のような特徴を持たせる(図1(b)参照)。
(1)画素信号の読み出し方式として分割読み出し方式を採用する。
(2)画素部10内の各画素に含まれる光電変換素子をフォトゲート(以下、PGと記す)で構成する。
(3)中間転送動作時に出力される1行分のデータ、及び、完全転送動作時に出力される1行分のデータを一時的に格納する1行メモリ部3を設ける。
(4)駆動電源6を一つにし、アナログ回路2の一部及びデジタル回路4(後述の垂直信号線VSL以降に設けられた各種回路)、並びに、画素20内の各種画素トランジスタは、駆動電源6により駆動する。
(5)駆動電源6から出力される電源電圧VDDから、中間転送動作時に転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧Vm(0<Vm<VDD)を生成する中間電圧生成回路5を設ける。
(6)中間電圧生成回路5で生成された中間電圧VmでPGを駆動する。
On the other hand, the solid-state imaging device 1 according to the present disclosure has the following characteristics (see FIG. 1B).
(1) A division readout method is adopted as a pixel signal readout method.
(2) A photoelectric conversion element included in each pixel in the pixel unit 10 is configured by a photogate (hereinafter referred to as PG).
(3) A one-row memory unit 3 is provided for temporarily storing data for one row output during the intermediate transfer operation and data for one row output during the complete transfer operation.
(4) A single drive power source 6 is used, and a part of the analog circuit 2 and the digital circuit 4 (various circuits provided after a vertical signal line VSL described later) and various pixel transistors in the pixel 20 6 to drive.
(5) An intermediate voltage generation circuit 5 that generates an intermediate voltage Vm (0 <Vm <VDD) to be applied to the gate of the transfer transistor during the intermediate transfer operation from the power supply voltage VDD output from the drive power supply 6 is provided.
(6) PG is driven by the intermediate voltage Vm generated by the intermediate voltage generation circuit 5.

なお、図1(b)では、本開示の特徴(従来との差異)を明確にするために、1行メモリ部3をアナログ回路2とは別個に図示したが、実際には、1行メモリ部3は、後述のように、アナログ回路2内に含まれる。より具体的には、1行メモリ部3は、後述の図3に示す単位回路30内のアナログメモリ32及びデジタルメモリ36に対応し、これらのメモリは、アナログ回路2内のカラム処理部13に設けられる。   In FIG. 1B, the single-row memory unit 3 is illustrated separately from the analog circuit 2 in order to clarify the feature of the present disclosure (difference from the prior art). The unit 3 is included in the analog circuit 2 as described later. More specifically, the one-row memory unit 3 corresponds to an analog memory 32 and a digital memory 36 in the unit circuit 30 shown in FIG. 3 to be described later, and these memories are connected to the column processing unit 13 in the analog circuit 2. Provided.

上述のように、本開示の固体撮像装置1では、分割読み出し方式を採用し、光電変換素子としてPGを用い、さらに、PGを駆動するための電源電圧を、装置内部に設けられた中間電圧生成回路5により生成する。なお、PGでは、そのゲートに印加される電圧により、PG内のポテンシャル電位の深さを調整することができるので、中間電圧Vmでも正確な読み出し動作を行うことができる。   As described above, the solid-state imaging device 1 of the present disclosure employs the divided readout method, uses PG as a photoelectric conversion element, and generates a power supply voltage for driving the PG as an intermediate voltage provided inside the device. It is generated by the circuit 5. In the PG, the depth of the potential potential in the PG can be adjusted by the voltage applied to the gate thereof, so that an accurate read operation can be performed even with the intermediate voltage Vm.

本開示では、固体撮像装置1に上記(1)〜(6)の特徴を持たせることにより、単一の駆動電源6で駆動可能になる。それゆえ、本開示では、低電力で固体撮像装置1を駆動することができ、さらに、部品点数を減らすことができるのでコストダウンを図ることもできる。   In the present disclosure, the solid-state imaging device 1 can be driven by a single drive power supply 6 by having the characteristics (1) to (6). Therefore, according to the present disclosure, it is possible to drive the solid-state imaging device 1 with low power, and further, it is possible to reduce the number of parts, thereby reducing the cost.

[固体撮像装置の構成]
図2に、本開示の第1の実施形態に係る分割読み出し方式の固体撮像装置の概略構成を示す。なお、図2は、固体撮像装置全体の概略ブロック構成図である。
[Configuration of solid-state imaging device]
FIG. 2 shows a schematic configuration of the solid-state imaging device of the divided readout method according to the first embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a schematic block configuration diagram of the entire solid-state imaging device.

固体撮像装置1は、CMOSイメージセンサであり、画素部10と、センサ制御回路11と、垂直走査回路12と、カラム処理部13とを備える。また、固体撮像装置1は、デジタル処理回路14と、参照信号生成回路15(DAC:Digital to Analog Converter)と、中間電圧生成回路16とを備える。   The solid-state imaging device 1 is a CMOS image sensor, and includes a pixel unit 10, a sensor control circuit 11, a vertical scanning circuit 12, and a column processing unit 13. The solid-state imaging device 1 includes a digital processing circuit 14, a reference signal generation circuit 15 (DAC: Digital to Analog Converter), and an intermediate voltage generation circuit 16.

画素部10は、行列状に2次元配置された複数の単位画素20(以下、単に画素20という)を備える。なお、画素20の内部構成については、後で詳述する。また、画素部10は、行列状に2次元配置された画素20の行毎に、行方向に沿って形成された各種画素駆動線(不図示)と、列毎に、列方向に沿って形成された垂直信号線VSLとを備える。なお、各種画素駆動線は、垂直走査回路12に接続され(不図示)、垂直信号線VSLは、カラム処理部13に接続される。   The pixel unit 10 includes a plurality of unit pixels 20 (hereinafter simply referred to as pixels 20) that are two-dimensionally arranged in a matrix. The internal configuration of the pixel 20 will be described in detail later. In addition, the pixel unit 10 is formed along various column drive lines (not shown) formed along the row direction for each row of the pixels 20 two-dimensionally arranged in a matrix and along the column direction for each column. Vertical signal lines VSL. Various pixel drive lines are connected to the vertical scanning circuit 12 (not shown), and the vertical signal lines VSL are connected to the column processing unit 13.

センサ制御回路11は、固体撮像装置1の各種動作のタイミング信号を生成する例えばタイミングジェネレータ等により構成される。そして、センサ制御回路11で生成された各種タイミング信号は、垂直走査回路12、カラム処理部13等に供給され、これらのタイミング信号に基づいて各部が駆動制御される。   The sensor control circuit 11 includes, for example, a timing generator that generates timing signals for various operations of the solid-state imaging device 1. Various timing signals generated by the sensor control circuit 11 are supplied to the vertical scanning circuit 12, the column processing unit 13, and the like, and each unit is driven and controlled based on these timing signals.

垂直走査回路12は、例えば、シフトレジスタ、アドレスデコーダ等の回路素子により構成され、画素部10の各画素20に各種駆動信号を出力して、各画素20を駆動し、各画素20から信号を読み出す。   The vertical scanning circuit 12 is configured by, for example, circuit elements such as a shift register and an address decoder, and outputs various driving signals to each pixel 20 of the pixel unit 10 to drive each pixel 20, and outputs a signal from each pixel 20. read out.

カラム処理部13は、垂直信号線VSLに出力されたアナログの画素信号(電圧信号)に対して所定の処理を施す複数の単位回路30を有する。なお、単位回路30は、垂直信号線VSL毎に設けられる。   The column processing unit 13 includes a plurality of unit circuits 30 that perform a predetermined process on the analog pixel signal (voltage signal) output to the vertical signal line VSL. The unit circuit 30 is provided for each vertical signal line VSL.

各単位回路30では、対応する垂直信号線VSLを介して得られる画素信号(電圧信号)に対して、AD変換処理だけでなく、その前後にCDS処理を行う。すなわち、単位回路30では、垂直信号線VSLを介して得られる画素信号に対して、デュアルノイズキャンセリング方式の信号処理が施される。なお、単位回路30の内部構成及び動作については後で詳述する。   Each unit circuit 30 performs not only AD conversion processing but also CDS processing before and after the pixel signal (voltage signal) obtained through the corresponding vertical signal line VSL. That is, in the unit circuit 30, dual noise canceling signal processing is performed on the pixel signal obtained via the vertical signal line VSL. The internal configuration and operation of the unit circuit 30 will be described later in detail.

デジタル処理回路14は、カラム処理部13から出力されるデジタルの画素信号(カウント数)に対して各種信号処理を行う。例えば、デジタル処理回路14は、入力されたカウント数を対応する出力コードに変換する。   The digital processing circuit 14 performs various signal processes on the digital pixel signal (count number) output from the column processing unit 13. For example, the digital processing circuit 14 converts the input count number into a corresponding output code.

参照信号生成回路15は、画素信号をAD変換する際に用いる参照信号(参照電圧)を生成し、その参照信号をカラム処理部13内の後述のAD変換回路34(コンパレータ)に供給する。なお、後述の変形例6で説明するように、参照信号生成回路15は、通常動作時だけでなく、出荷前に行う中間電圧の最適値の設定動作時にも参照信号を生成して出力してもよい。   The reference signal generation circuit 15 generates a reference signal (reference voltage) used when AD converting the pixel signal, and supplies the reference signal to an AD conversion circuit 34 (comparator) described later in the column processing unit 13. As will be described later in Modification 6, the reference signal generation circuit 15 generates and outputs a reference signal not only during normal operation but also during the setting operation of the optimum value of the intermediate voltage performed before shipment. Also good.

中間電圧生成回路16は、図示しないが、図1(b)中の駆動電源6に接続され、駆動電源6から出力される電源電圧VDDに基づいて、所定の中間電圧Vmを生成する。中間電圧生成回路16で生成される中間電圧Vmの値は任意であるが、本実施形態では、中間電圧VmをVDD/2とする。   Although not shown, the intermediate voltage generation circuit 16 is connected to the drive power supply 6 in FIG. 1B and generates a predetermined intermediate voltage Vm based on the power supply voltage VDD output from the drive power supply 6. Although the value of the intermediate voltage Vm generated by the intermediate voltage generation circuit 16 is arbitrary, in this embodiment, the intermediate voltage Vm is set to VDD / 2.

また、中間電圧生成回路16は、図示しないが、各画素20の後述の転送トランジスタ22のゲートに接続され、中間転送動作時には、生成した中間電圧Vmを転送トランジスタ22の各ゲートに供給する。さらに、中間電圧生成回路16は、図示しないが、各画素20の後述のPG21のゲート電極に接続され、中間電圧生成回路16から出力される中間電圧VmによりPG21が駆動される。   Although not shown, the intermediate voltage generation circuit 16 is connected to a gate of a transfer transistor 22 described later of each pixel 20 and supplies the generated intermediate voltage Vm to each gate of the transfer transistor 22 during an intermediate transfer operation. Further, although not shown, the intermediate voltage generation circuit 16 is connected to a gate electrode of a PG 21 described later of each pixel 20, and the PG 21 is driven by the intermediate voltage Vm output from the intermediate voltage generation circuit 16.

なお、後述のように、画素20内の転送トランジスタ22以外の画素トランジスタは、外部の駆動電源6から出力される電源電圧VDDにより駆動される(図3参照)。また、垂直信号線VSL以降に設けられた各種回路(参照信号生成回路15も含む)は、駆動電源6から出力される電源電圧VDDにより駆動される。   As will be described later, the pixel transistors other than the transfer transistor 22 in the pixel 20 are driven by the power supply voltage VDD output from the external drive power supply 6 (see FIG. 3). Various circuits (including the reference signal generation circuit 15) provided after the vertical signal line VSL are driven by the power supply voltage VDD output from the drive power supply 6.

さらに、図2には示さないが、固体撮像装置1は、カラム処理部13内において垂直信号線VSL毎に設けられた単位回路30を順次、選択走査する水平走査回路も備える。この水平走査回路の選択走査により、カラム処理部13の各単位回路30で信号処理された画素信号が順次、デジタル処理回路14に出力される。   Further, although not shown in FIG. 2, the solid-state imaging device 1 also includes a horizontal scanning circuit that sequentially and selectively scans the unit circuits 30 provided for each vertical signal line VSL in the column processing unit 13. By this selective scanning of the horizontal scanning circuit, the pixel signals subjected to signal processing by each unit circuit 30 of the column processing unit 13 are sequentially output to the digital processing circuit 14.

[画素の構成]
次に、図3を参照しながら、各画素20の構成を簡単に説明する。なお、図3は、画素20、及び、それに接続された単位回路30の概略構成図である。また、図3には、中間転送動作の回数が1回である場合の単位回路30の構成を示す。
[Pixel configuration]
Next, the configuration of each pixel 20 will be briefly described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the pixel 20 and the unit circuit 30 connected thereto. FIG. 3 shows the configuration of the unit circuit 30 when the number of intermediate transfer operations is one.

画素20は、一つのPG21(フォトゲート)と、該一つのPG21に対して設けられたMOSトランジスタからなる各種能動素子(画素トランジスタ)と、FD部26(電荷電圧変換部)とを備える。図3に示す例では、画素20は、各種能動素子として、転送トランジスタ22、増幅トランジスタ23、リセットトランジスタ24、及び、選択トランジスタ25を備える。   The pixel 20 includes one PG 21 (photogate), various active elements (pixel transistors) including MOS transistors provided for the one PG 21, and an FD unit 26 (charge-voltage conversion unit). In the example illustrated in FIG. 3, the pixel 20 includes a transfer transistor 22, an amplification transistor 23, a reset transistor 24, and a selection transistor 25 as various active elements.

すなわち、ここでは、画素20が4トランジスタ型の画素である例を説明する。なお、本開示はこれに限定されず、画素20が選択トランジスタ25を備えない3トランジスタ型の画素であってもよい。さらに、ここでは、各種画素トランジスタをキャリア極性がN型のMOSトランジスタで構成した例を示す。また、この例では、一つの画素20に対して、行方向に転送配線、リセット配線、及び、選択配線の3本の信号配線を設け(不図示)、列方向に垂直信号線VSLを設ける。   That is, here, an example in which the pixel 20 is a four-transistor pixel will be described. Note that the present disclosure is not limited to this, and the pixel 20 may be a three-transistor pixel that does not include the selection transistor 25. Furthermore, here, an example is shown in which various pixel transistors are composed of MOS transistors having an N-type carrier polarity. In this example, for one pixel 20, three signal wirings (not shown) including a transfer wiring, a reset wiring, and a selection wiring are provided in the row direction, and a vertical signal line VSL is provided in the column direction.

PG21は、MOSダイオードで構成され、入射光を、該入射光の光量に対応する量の電荷(ここでは電子)に変換する(光電変換する)。また、PG21は、ゲート電極を有し、該ゲート電極に印加される電圧値により、受光領域のポテンシャル(電位)深さを可変することができる。なお、本実施形態では、PG21は、ゲート電極に印加する電圧値が大きくなると、PG21の受光領域のポテンシャル深さが深く(大きく)なる特性を有する。   The PG 21 is composed of a MOS diode, and converts incident light into an amount of electric charges (here, electrons) corresponding to the amount of incident light (photoelectric conversion). The PG 21 has a gate electrode, and the potential (potential) depth of the light receiving region can be changed by a voltage value applied to the gate electrode. In the present embodiment, the PG 21 has a characteristic that the potential depth of the light receiving region of the PG 21 becomes deep (large) when the voltage value applied to the gate electrode increases.

また、本実施形態の固体撮像装置1は、表面照射型の固体撮像装置であるので、PG21の受光面にゲート電極が設けられる。それゆえ、本実施形態では、光がゲート電極を介してPG21の受光部に入射されるので、PG21のゲート電極の膜厚をできる限り薄くするか、又は、ゲート電極を透明電極で構成することが好ましい。   Moreover, since the solid-state imaging device 1 of this embodiment is a surface irradiation type solid-state imaging device, a gate electrode is provided on the light receiving surface of the PG 21. Therefore, in this embodiment, since light is incident on the light receiving portion of the PG 21 via the gate electrode, the thickness of the gate electrode of the PG 21 is made as thin as possible, or the gate electrode is made of a transparent electrode. Is preferred.

転送トランジスタ22は、PG21と、FD部26との間に設けられる。転送トランジスタ22は、そのゲートに垂直走査回路12から転送配線を介してハイレベルの信号が入力された際にオン状態となり、PG21で光電変換された電荷(電子)をFD部26に転送する。なお、FD部26に転送された電荷は、FD部26において、電圧(電位)に変換される。   The transfer transistor 22 is provided between the PG 21 and the FD unit 26. The transfer transistor 22 is turned on when a high level signal is input from the vertical scanning circuit 12 to the gate of the transfer transistor 12 via the transfer wiring, and charges (electrons) photoelectrically converted by the PG 21 are transferred to the FD unit 26. Note that the charge transferred to the FD unit 26 is converted into a voltage (potential) in the FD unit 26.

増幅トランジスタ23のゲートは、FD部26に接続される。また、増幅トランジスタ23のドレインは、電源電圧VDDの供給端子に接続され、増幅トランジスタ23のソースは、選択トランジスタ25を介して垂直信号線VSLに接続される。増幅トランジスタ23は、FD部26の電位(電圧信号)を増幅し、その増幅した電圧信号を光蓄積信号(画素信号)として選択トランジスタ25に出力する。   The gate of the amplification transistor 23 is connected to the FD unit 26. The drain of the amplification transistor 23 is connected to the supply terminal of the power supply voltage VDD, and the source of the amplification transistor 23 is connected to the vertical signal line VSL via the selection transistor 25. The amplification transistor 23 amplifies the potential (voltage signal) of the FD unit 26 and outputs the amplified voltage signal to the selection transistor 25 as a light accumulation signal (pixel signal).

リセットトランジスタ24は、電源電圧VDDの供給端子とFD部26との間に設けられる。リセットトランジスタ24は、そのゲートに垂直走査回路12からリセット配線を介してハイレベルの信号が入力された際にオン状態となり、FD部26の電位を電源電圧VDDにリセットする。   The reset transistor 24 is provided between the supply terminal of the power supply voltage VDD and the FD unit 26. The reset transistor 24 is turned on when a high level signal is input to the gate of the reset transistor 24 from the vertical scanning circuit 12 via the reset wiring, and the potential of the FD section 26 is reset to the power supply voltage VDD.

選択トランジスタ25は、増幅トランジスタ23と垂直信号線VSLとの間に設けられる。選択トランジスタ25は、そのゲートに垂直走査回路12から選択配線を介してハイレベルの信号が入力された際にオン状態となり、増幅トランジスタ23で増幅された電圧信号(画素信号)を垂直信号線VSLに出力する。すなわち、4トランジスタ型の固体撮像装置1では、画素20の選択及び非選択の切り替えは、選択トランジスタ25により制御される。なお、垂直信号線VSLに出力された各画素20の画素信号は、対応する後述のアナログCDS回路31に転送される。   The selection transistor 25 is provided between the amplification transistor 23 and the vertical signal line VSL. The selection transistor 25 is turned on when a high level signal is input to the gate thereof from the vertical scanning circuit 12 via the selection wiring, and the voltage signal (pixel signal) amplified by the amplification transistor 23 is applied to the vertical signal line VSL. Output to. That is, in the four-transistor type solid-state imaging device 1, the selection transistor 25 is controlled to switch between selection and non-selection of the pixel 20. The pixel signal of each pixel 20 output to the vertical signal line VSL is transferred to a corresponding analog CDS circuit 31 described later.

[単位回路の構成]
次に、垂直信号線VSL毎に設けられる、カラム処理部13内の単位回路30の内部構成及び動作を、図3及び4を参照しながら説明する。
[Configuration of unit circuit]
Next, the internal configuration and operation of the unit circuit 30 in the column processing unit 13 provided for each vertical signal line VSL will be described with reference to FIGS.

なお、図4は、単位回路30内の各部の動作を説明するための各種信号のタイミングチャートである。具体的には、図4には、各画素20に供給される転送信号(TRG)、垂直信号線VSLに出力される画素信号(SVSL)、コンパレータの出力信号(SCOM)、参照信号(RAMP)、及び、アナログCDS処理後の信号(ΔV)のタイミングチャートを示す。なお、図4では、説明の都合上、参照信号(RAMP)と、アナログCDS処理後の信号(ΔV)とを重ねて記載する。 FIG. 4 is a timing chart of various signals for explaining the operation of each unit in the unit circuit 30. Specifically, FIG. 4 shows a transfer signal (TRG) supplied to each pixel 20, a pixel signal (S VSL ) output to the vertical signal line VSL, a comparator output signal (S COM ), and a reference signal ( RAMP) and a signal (ΔV) timing chart after analog CDS processing. In FIG. 4, for convenience of explanation, the reference signal (RAMP) and the signal (ΔV) after the analog CDS processing are described in an overlapping manner.

単位回路30は、図3に示すように、アナログCDS回路31と、アナログメモリ32と、アナログ加算/非加算回路33と、AD変換回路34と、デジタルCDS回路35と、デジタルメモリ36と、デジタル加算/非加算回路37とを備える。アナログCDS回路31、アナログメモリ32、アナログ加算/非加算回路33、AD変換回路34、デジタルCDS回路35、デジタルメモリ36、及び、デジタル加算/非加算回路37は、画素部10側から、この順で直列に接続される。   As shown in FIG. 3, the unit circuit 30 includes an analog CDS circuit 31, an analog memory 32, an analog addition / non-addition circuit 33, an AD conversion circuit 34, a digital CDS circuit 35, a digital memory 36, and a digital memory. And an addition / non-addition circuit 37. The analog CDS circuit 31, analog memory 32, analog addition / non-addition circuit 33, AD conversion circuit 34, digital CDS circuit 35, digital memory 36, and digital addition / non-addition circuit 37 are arranged in this order from the pixel unit 10 side. Connected in series.

アナログCDS回路31は、対応する垂直信号線VSLを介して得られる画素信号SVSL(電圧信号)に対して相関二重サンプリング処理(アナログCDS処理)を行う。具体的には、アナログCDS回路31では、まず、垂直信号線VSLに出力される画素信号SVSLにおいて、P相期間(リセット期間)の所定のタイミングT1でP相の電圧レベルを検出する(図4参照)。次いで、アナログCDS回路31は、タイミングT1で検出した電圧レベルを基準(例えば零)として、容量等からなるメモリ(不図示)に記憶する。その後、アナログCDS回路31は、D相期間(信号転送期間)の所定のタイミングT5でD相の電圧レベルを検出し(図4参照)、その電圧レベルのP相の電圧レベル(基準レベル)からの電位差を検出する。そして、アナログCDS回路31は、図4に示すように、P相の電圧レベルを基準レベルとした電位差信号ΔVを、アナログメモリ32に出力する。 The analog CDS circuit 31 performs correlated double sampling processing (analog CDS processing) on the pixel signal S VSL (voltage signal) obtained via the corresponding vertical signal line VSL. Specifically, the analog CDS circuit 31 first detects the voltage level of the P phase at a predetermined timing T1 in the P phase period (reset period) in the pixel signal S VSL output to the vertical signal line VSL (see FIG. 4). Next, the analog CDS circuit 31 stores the voltage level detected at the timing T1 in a memory (not shown) including a capacitor or the like with reference (for example, zero). Thereafter, the analog CDS circuit 31 detects the D-phase voltage level at a predetermined timing T5 in the D-phase period (signal transfer period) (see FIG. 4), and from the P-phase voltage level (reference level) of the voltage level. The potential difference is detected. Then, as shown in FIG. 4, the analog CDS circuit 31 outputs a potential difference signal ΔV using the P-phase voltage level as a reference level to the analog memory 32.

上述したアナログCDS処理を施すことにより、例えば、リセットノイズ、増幅トランジスタの閾値ばらつき等に起因する画素固有の固定パターンノイズを除去することができる。なお、本実施形態では分割読み出し方式で画素信号を読み出すので、上述したアナログCDS処理は、中間転送動作毎及び完全転送動作毎に実施される。そして、各転送動作で得られた電位差信号ΔV(出力データ:図3中のDataA0及びDataB0)は個別にアナログメモリ32に出力される。   By performing the above-described analog CDS processing, for example, fixed pattern noise unique to a pixel due to reset noise, variation in threshold values of amplification transistors, and the like can be removed. In this embodiment, since the pixel signal is read out by the divided reading method, the above-described analog CDS processing is performed for each intermediate transfer operation and for each complete transfer operation. The potential difference signal ΔV (output data: DataA0 and DataB0 in FIG. 3) obtained by each transfer operation is individually output to the analog memory 32.

アナログメモリ32は、アナログCDS回路31から出力されるアナログの出力データ(電位差信号ΔV)を一時的に格納する。なお、本実施形態では、アナログメモリ32は、中間転送動作時及び完全転送動作時のそれぞれにおいて、アナログCDS回路31から出力されるアナログの出力データ(DataA0及びDataB0)を一時的に格納する。   The analog memory 32 temporarily stores analog output data (potential difference signal ΔV) output from the analog CDS circuit 31. In the present embodiment, the analog memory 32 temporarily stores analog output data (DataA0 and DataB0) output from the analog CDS circuit 31 in each of the intermediate transfer operation and the complete transfer operation.

アナログ加算/非加算回路33は、アナログメモリ32に格納された、中間転送動作時のアナログの出力データ(DataA0:第1アナログ出力データ)、及び、完全転送動作時のアナログの出力データ(DataB0:第2アナログ出力データ)を取得する。次いで、アナログ加算/非加算回路33は、各転送動作時の出力データのレベルに応じて、中間転送動作時のアナログの出力データ(DataA0)、及び、完全転送動作時のアナログの出力データ(DataB0)に対して、加算処理又は非加算処理を施す。そして、アナログ加算/非加算回路33は、加算処理又は非加算処理が施されたデータ(DataC0)をAD変換回路34に出力する。なお、アナログ加算/非加算回路33における出力データの加算及び非加算処理は、デジタル加算/非加算回路37における後述の処理と同様に行うことができるが、本実施形態では、アナログ加算/非加算回路33は加算処理のみを行うものとする。   The analog addition / non-addition circuit 33 stores the analog output data (DataA0: first analog output data) stored in the analog memory 32 during the intermediate transfer operation and the analog output data (DataB0: 2nd analog output data) is acquired. Next, the analog addition / non-addition circuit 33 determines the analog output data (DataA0) during the intermediate transfer operation and the analog output data (DataB0) during the complete transfer operation according to the level of the output data during each transfer operation. ) Is subjected to addition processing or non-addition processing. Then, the analog addition / non-addition circuit 33 outputs the data (DataC0) subjected to the addition process or the non-addition process to the AD conversion circuit 34. Note that the addition and non-addition processing of output data in the analog addition / non-addition circuit 33 can be performed in the same manner as the processing described later in the digital addition / non-addition circuit 37, but in this embodiment, analog addition / non-addition is performed. The circuit 33 performs only addition processing.

AD変換回路34は、図示しないが、コンパレータを有し、対応するアナログ加算/非加算回路33から出力された信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルと参照信号生成回路15から入力される参照信号(RAMP)の電圧レベルとをコンパレータで比較する。そして、AD変換回路34は、図4に示すように、両信号の出力レベルが互いに同じになる時刻T2及びT6で信号レベルが反転する信号(比較結果:SCOM)を生成する。 Although not shown, the AD conversion circuit 34 includes a comparator, and the voltage level of the signal (potential difference signal ΔV) output from the corresponding analog addition / non-addition circuit 33 and the reference signal input from the reference signal generation circuit 15 ( The voltage level of RAMP) is compared with a comparator. Then, as shown in FIG. 4, the AD conversion circuit 34 generates a signal (comparison result: S COM ) whose signal level is inverted at times T2 and T6 when the output levels of both signals become the same.

なお、本実施形態では、AD変換処理の前段でアナログCDS処理を行う。それゆえ、AD変換回路34では、アナログ加算/非加算回路33から出力されるアナログCDS処理されたP相及びD相の信号(電位差信号ΔV)に対してそれぞれ上述した比較処理が施される。そして、AD変換回路34は、中間転送動作及び完全転送動作のそれぞれにおいて、コンパレータで得られるP相及びD相の比較結果(SCOM)をデジタルCDS回路35に出力する。 In the present embodiment, analog CDS processing is performed before the AD conversion processing. Therefore, the AD conversion circuit 34 performs the above-described comparison processing on the analog CDS-processed P-phase and D-phase signals (potential difference signal ΔV) output from the analog addition / non-addition circuit 33. The AD conversion circuit 34 outputs the comparison result (S COM ) between the P phase and the D phase obtained by the comparator to the digital CDS circuit 35 in each of the intermediate transfer operation and the complete transfer operation.

デジタルCDS回路35は、図示しないが、カウント部を有する。カウント部は、アナログ加算/非加算回路33からの出力信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルが参照信号生成回路15から出力される参照信号(RAMP)の電圧レベルと同じレベルになるまでの時間(比較期間)を計測する(カウントする)。この際、カウント部は、そのカウント動作を、AD変換回路34内のコンパレータにおける比較結果(SCOM)に基づいて、アップカウント動作及びダウンカウント動作のいずれかに切り替える。 Although not shown, the digital CDS circuit 35 has a count unit. The count unit is a time until the voltage level of the output signal (potential difference signal ΔV) from the analog addition / non-addition circuit 33 becomes the same level as the voltage level of the reference signal (RAMP) output from the reference signal generation circuit 15 ( (Comparison period) is measured (counted). At this time, the count unit switches the count operation to either the up-count operation or the down-count operation based on the comparison result (S COM ) in the comparator in the AD conversion circuit 34.

具体的には、カウント部は、P相の比較期間(図4中の時刻T0〜T2の期間)でかつコンパレータの出力信号SCOMがハイレベルである期間はダウンカウント動作を行う。また、D相の比較期間(図4中の時刻T4〜T6の期間)でかつコンパレータの出力信号SCOMがローレベルである期間はアップカウント動作を行う。これにより、アップカウント動作終了後に得られるカウント数は、D相の比較期間のカウント数の絶対値からP相の比較期間のカウント数の絶対値を差し引いた値となる。すなわち、D相のカウント動作で最終的に得られるカウント数は、デジタルCDS処理が施された出力データとなる。このデジタルCDS処理により、アナログCDS回路31やAD変換回路34などの特性バラツキの影響をキャンセルすることができる。 Specifically, the count unit, the output signal S period COM is at the high level and the comparison period in the P phase (the period of time T0~T2 in FIG. 4) comparator performs the down-count operation. Further, the comparison period in the D phase (the period of time T4~T6 in FIG. 4) a and the output signal S period COM is at the low level of the comparator performs the up-count operation. Thus, the count number obtained after the end of the up-count operation is a value obtained by subtracting the absolute value of the count number in the P-phase comparison period from the absolute value of the count number in the D-phase comparison period. That is, the count number finally obtained by the D-phase count operation is output data subjected to digital CDS processing. By this digital CDS processing, it is possible to cancel the influence of characteristic variations of the analog CDS circuit 31 and the AD conversion circuit 34.

そして、デジタルCDS回路35は、最終的に得られたD相のカウント数(デジタルCDS処理後の出力データ)をデジタルメモリ36に出力する。なお、本実施形態では分割読み出し方式で画素信号を読み出すので、デジタルCDS回路35は、中間転送動作時及び完全転送動作時のそれぞれにおいて得られたD相のカウント数(図3中のDataA及びDataB)をデジタルメモリ36に出力する。   Then, the digital CDS circuit 35 outputs the finally obtained D-phase count number (output data after the digital CDS process) to the digital memory 36. In the present embodiment, since the pixel signal is read out by the divided reading method, the digital CDS circuit 35 counts the D-phase counts obtained in the intermediate transfer operation and the complete transfer operation (Data A and Data B in FIG. 3). ) Is output to the digital memory 36.

デジタルメモリ36は、デジタルCDS回路35から出力されるカウント数(デジタルの出力データ)を一時的に格納する。なお、この際、アナログメモリ32は、中間転送動作時及び完全転送動作時のそれぞれにおいて、デジタルCDS回路35から出力されるカウント数(DataA及びDataB)を一時的に格納する。   The digital memory 36 temporarily stores the count number (digital output data) output from the digital CDS circuit 35. At this time, the analog memory 32 temporarily stores the count numbers (DataA and DataB) output from the digital CDS circuit 35 in each of the intermediate transfer operation and the complete transfer operation.

デジタル加算/非加算回路37は、デジタルメモリ36に格納された、中間転送動作時のアナログの出力データ(DataA:第1デジタル出力データ)、及び、完全転送動作時のアナログの出力データ(DataB:第2デジタル出力データ)を取得する。そして、デジタル加算/非加算回路37は、各転送動作時の出力データのレベルに応じて、中間転送動作時のデジタルの出力データ(DataA)、及び、完全転送動作時のデジタルの出力データ(DataB)に対して、加算処理又は非加算処理を施す。そして、デジタル加算/非加算回路37は、加算処理又は非加算処理を施した出力データ(DataC)をデジタル処理回路14に出力する。   The digital addition / non-addition circuit 37 stores the analog output data (Data A: first digital output data) stored in the digital memory 36 during the intermediate transfer operation and the analog output data (Data B: stored during the complete transfer operation). 2nd digital output data) is acquired. Then, the digital adder / non-adder circuit 37, according to the level of the output data at each transfer operation, digital output data (DataA) at the intermediate transfer operation and digital output data (DataB) at the complete transfer operation ) Is subjected to addition processing or non-addition processing. Then, the digital addition / non-addition circuit 37 outputs the output data (DataC) subjected to the addition process or the non-addition process to the digital processing circuit 14.

ここで、デジタル加算/非加算回路37で行う加算処理及び非加算処理の内容を具体的に説明する。デジタル加算/非加算回路37は、次の状況A及びBの場合に加算処理を行う。なお、ここでは、中間転送動作が1回の場合について説明する。   Here, the contents of addition processing and non-addition processing performed by the digital addition / non-addition circuit 37 will be described in detail. The digital addition / non-addition circuit 37 performs addition processing in the following situations A and B. Here, a case where the intermediate transfer operation is performed once will be described.

(状況A)
中間転送動作時の出力データ(DataA)のレベル及び完全転送動作時の出力データ(DataB)のレベルがともに、所定の上限閾値ThH及び下限閾値ThLの間の値である場合、デジタル加算/非加算回路37は、両方の出力データを加算する。そして、デジタル加算/非加算回路37は、加算したデータ(DataC=DataA+DataB)をデジタル処理回路14に出力する。
(Situation A)
Digital addition / non-addition when the level of the output data (Data A) during the intermediate transfer operation and the level of the output data (Data B) during the complete transfer operation are values between a predetermined upper limit threshold ThH and a lower limit threshold ThL The circuit 37 adds both output data. Then, the digital addition / non-addition circuit 37 outputs the added data (DataC = DataA + DataB) to the digital processing circuit 14.

なお、出力データの上限閾値ThH及び下限閾値ThLは、例えば、想定されるノイズ量、中間電圧Vmの値等に応じて任意に設定することができる。例えば、出力データの上限閾値ThHは、FD部26の飽和電荷量Qfdの3/4の電荷量(3Qfd/4)に対応する出力データ等に設定することができる。また、下限閾値ThLは、例えば、FD部26の飽和電荷量Qfdの1/4の電荷量(Qfd/4)に対応する出力データ等に設定することができる。   Note that the upper limit threshold ThH and the lower limit threshold ThL of the output data can be arbitrarily set according to, for example, the assumed noise amount, the value of the intermediate voltage Vm, and the like. For example, the upper threshold value ThH of the output data can be set to output data corresponding to the charge amount (3Qfd / 4) that is 3/4 of the saturation charge amount Qfd of the FD unit 26. In addition, the lower limit threshold ThL can be set, for example, as output data corresponding to a charge amount (Qfd / 4) that is ¼ of the saturation charge amount Qfd of the FD unit 26.

(状況B)
中間転送動作時の出力データ(DataA)のレベルが上限閾値ThHより大きい場合、完全転送動作時にFD部26に転送される電荷量が非常に大きくなるので、完全転送動作時のカウント数はフルカウント値になる。それゆえ、この場合には、デジタル加算/非加算回路37は、中間転送動作時の出力データ(DataA)にフルカウント値を加算したデータ(DataC=DataA+フルカウント値)をデジタル処理回路14に出力する。また、この場合には、完全転送動作時の出力データ(DataB)を読み出さなくてもよい。
(Situation B)
When the level of the output data (Data A) during the intermediate transfer operation is larger than the upper limit threshold ThH, the amount of charge transferred to the FD unit 26 during the complete transfer operation becomes very large. Therefore, the count number during the complete transfer operation is the full count value. become. Therefore, in this case, the digital addition / non-addition circuit 37 outputs data (DataC = DataA + full count value) obtained by adding the full count value to the output data (DataA) at the time of the intermediate transfer operation to the digital processing circuit 14. In this case, it is not necessary to read the output data (Data B) during the complete transfer operation.

一方、次の状況C及びDの場合には、デジタル加算/非加算回路37は、非加算処理を行う。   On the other hand, in the following situations C and D, the digital addition / non-addition circuit 37 performs non-addition processing.

(状況C)
中間転送動作時の出力データ(DataA)のレベルが下限閾値ThLより小さい場合、中間転送動作時の出力データ(DataA)は、ノイズであると考えられる。それゆえ、この場合には、中間転送動作時の出力データ(DataA)を使用しない。すなわち、この場合、デジタル加算/非加算回路37は、中間転送動作時の出力データ(DataA)と完全転送動作時の出力データ(DataB)とを加算せずに、完全転送動作時の出力データ(DataB)のみを出力データ(DataC)として出力する。
(Situation C)
When the level of the output data (DataA) during the intermediate transfer operation is smaller than the lower limit threshold ThL, the output data (DataA) during the intermediate transfer operation is considered to be noise. Therefore, in this case, output data (Data A) during the intermediate transfer operation is not used. That is, in this case, the digital addition / non-addition circuit 37 does not add the output data (Data A) at the time of the intermediate transfer operation and the output data (Data B) at the time of the complete transfer operation, and outputs the data ( Only Data B) is output as output data (Data C).

(状況D)
完全転送動作時の出力データ(DataB)のレベルが下限閾値ThLより小さい場合、中間転送動作時の出力データ(DataA)は、偽データであると考えられる。それゆえ、この場合には、中間転送動作時の出力データ(DataA)を使用しない。すなわち、この場合、デジタル加算/非加算回路37は、中間転送動作時の出力データ(DataA)と完全転送動作時の出力データ(DataB)とを加算せずに、完全転送動作時の出力データ(DataB)のみを出力データ(DataC)として出力する。
(Situation D)
When the level of the output data (Data B) during the complete transfer operation is smaller than the lower limit threshold ThL, the output data (Data A) during the intermediate transfer operation is considered to be fake data. Therefore, in this case, output data (Data A) during the intermediate transfer operation is not used. That is, in this case, the digital addition / non-addition circuit 37 does not add the output data (Data A) at the time of the intermediate transfer operation and the output data (Data B) at the time of the complete transfer operation, and outputs the data ( Only Data B) is output as output data (Data C).

<2.画素信号の読み出し動作>
次に、図5、図6(a)〜(g)、図7(a)〜(d)、及び、図8(a)〜(c)を参照しながら、上記第1の実施形態の固体撮像装置1における画素信号の読み出し動作を説明する。ただし、ここでは、中間転送動作を1回行う例を説明するが、本開示はこれに限定されず、中間転送動作を2回以上行う場合にも、本開示技術は適用可能である。
<2. Pixel signal readout operation>
Next, referring to FIG. 5, FIG. 6 (a) to (g), FIG. 7 (a) to (d), and FIG. 8 (a) to (c), the solid according to the first embodiment. A pixel signal reading operation in the imaging apparatus 1 will be described. However, here, an example in which the intermediate transfer operation is performed once will be described. However, the present disclosure is not limited to this, and the disclosed technology can also be applied when the intermediate transfer operation is performed twice or more.

なお、図5は、上記第1の実施形態の固体撮像装置1における画素信号の読み出し動作の手順を示すフローチャートである。また、図6(a)〜(g)は、読み出し動作時の各種信号(制御信号、出力信号等)のタイミングチャートである。   FIG. 5 is a flowchart illustrating the procedure of the pixel signal reading operation in the solid-state imaging device 1 according to the first embodiment. 6A to 6G are timing charts of various signals (control signals, output signals, etc.) during the read operation.

具体的には、図6(a)は、選択トランジスタ25のゲートに印加される電圧信号(SEL)の信号波形であり、図6(b)は、リセットトランジスタ24のゲートに印加される電圧信号(RST)の信号波形である。また、図6(c)は、転送トランジスタ22のゲートに印加される電圧信号(TRG)の信号波形であり、図6(d)は、PG21のゲート電極に印加される電圧信号(PGTG)の信号波形である。また、図6(e)は、FD部26の電位(SFD)の時間変化を示す信号波形であり、図6(f)は、垂直信号線VSLに出力される画素信号(SVSL)の電位レベルの時間変化を示す信号波形である。そして、図6(g)は、参照信号生成回路15から出力される参照信号(RAMP)の信号波形、及び、アナログCDS処理後の出力信号(ΔV:電位差信号)の信号波形を示す図である。なお、図6(g)では、AD変換回路34での比較処理の様子を明確にするため、参照信号(RAMP)と、アナログCDS処理後の出力信号(ΔV)とを重ねて記載する。 Specifically, FIG. 6A shows a signal waveform of a voltage signal (SEL) applied to the gate of the selection transistor 25, and FIG. 6B shows a voltage signal applied to the gate of the reset transistor 24. It is a signal waveform of (RST). FIG. 6C shows the signal waveform of the voltage signal (TRG) applied to the gate of the transfer transistor 22, and FIG. 6D shows the voltage signal (PGTG) applied to the gate electrode of PG21. It is a signal waveform. FIG. 6E is a signal waveform showing a temporal change in the potential (S FD ) of the FD unit 26, and FIG. 6F is a diagram illustrating the pixel signal (S VSL ) output to the vertical signal line VSL. It is a signal waveform which shows a time change of an electric potential level. FIG. 6G shows the signal waveform of the reference signal (RAMP) output from the reference signal generation circuit 15 and the signal waveform of the output signal (ΔV: potential difference signal) after analog CDS processing. . In FIG. 6G, the reference signal (RAMP) and the output signal (ΔV) after the analog CDS processing are described in an overlapping manner in order to clarify the state of the comparison processing in the AD conversion circuit 34.

また、図7(a)〜(d)は、中間転送動作時における、PG21からFD部26への電荷の転送動作の様子を示す図である。そして、図8(a)〜(c)は、完全転送動作時における、PG21からFD部26への電荷の転送動作の様子を示す図である。   FIGS. 7A to 7D are diagrams showing the state of the charge transfer operation from the PG 21 to the FD unit 26 during the intermediate transfer operation. 8A to 8C are diagrams showing the state of the charge transfer operation from the PG 21 to the FD unit 26 during the complete transfer operation.

まず、固体撮像装置1の中間電圧生成回路16は、全ての画素20内のPG21のゲート電極に中間電圧Vm(ここではVDD/2)を印加して(ステップS1)、PG21の受光領域のポテンシャル深さを深く(大きく)する。そして、固体撮像装置1は、この状態で、露光を行う(ステップS2)。これにより、PG21に信号電荷が蓄積される。なお、この中間電圧Vm(=VDD/2)は、後述の完全転送期間における電荷転送の開始時刻(時刻t10)まで、PG21のゲート電極に印加し続けられる。   First, the intermediate voltage generation circuit 16 of the solid-state imaging device 1 applies the intermediate voltage Vm (here, VDD / 2) to the gate electrodes of the PG 21 in all the pixels 20 (step S1), and the potential of the light receiving region of the PG 21. Make the depth deeper (larger). Then, the solid-state imaging device 1 performs exposure in this state (step S2). As a result, signal charges are accumulated in PG21. This intermediate voltage Vm (= VDD / 2) is continuously applied to the gate electrode of PG21 until the charge transfer start time (time t10) in the complete transfer period described later.

次いで、固体撮像装置1は、所定のPG21を選択し、該PG21に蓄積された信号電荷に対して、中間転送処理を開始する。   Next, the solid-state imaging device 1 selects a predetermined PG 21 and starts an intermediate transfer process for the signal charge stored in the PG 21.

具体的には、まず、所定の時刻t1で読み出し対象の画素20の選択トランジスタ25及びリセットトランジスタ24のゲートにハイレベルの電圧(VDD)を印加して(ステップS3)、両トランジスタをON状態にする(図6(a)及び(b)参照)。これにより、FD部26の電荷蓄積状態がリセットされ、中間転送処理におけるP相期間の処理(ステップS4)が開始される。なお、ステップS4のP相期間の処理では、上記単位回路30の動作で説明したように、P相期間に垂直信号線VSLに出力されるアナログの画素信号に対して、アナログCDS処理、AD変換処理(比較処理)及びデジタルCDS処理を行う。   Specifically, first, a high level voltage (VDD) is applied to the gates of the selection transistor 25 and the reset transistor 24 of the pixel 20 to be read at a predetermined time t1 (step S3), and both transistors are turned on. (See FIGS. 6A and 6B). As a result, the charge accumulation state of the FD unit 26 is reset, and the P-phase period process (step S4) in the intermediate transfer process is started. In the process of the P-phase period in step S4, as described in the operation of the unit circuit 30, the analog CDS process and AD conversion are performed on the analog pixel signal output to the vertical signal line VSL during the P-phase period. Processing (comparison processing) and digital CDS processing are performed.

上記ステップS3のリセット動作により、FD部26には、そのリセット状態に対応する電位SFDが発生する(図6(e)参照)。また、垂直信号線VSLには、FD部26のリセット状態に対応する画素信号SVSLが出力される(図6(f)参照)。なお、中間転送処理開始後、選択トランジスタ25のゲートには、図6(a)に示すように、時刻t1から完全転送処理が終了する時刻t12まで、ハイレベルの電圧(VDD)が印加される。 As a result of the reset operation in step S3, a potential SFD corresponding to the reset state is generated in the FD unit 26 (see FIG. 6E). Further, the pixel signal S VSL corresponding to the reset state of the FD unit 26 is output to the vertical signal line VSL (see FIG. 6F ). After the intermediate transfer process is started, a high level voltage (VDD) is applied to the gate of the selection transistor 25 from time t1 to time t12 when the complete transfer process ends, as shown in FIG. 6A. .

ここで、時刻t1直後の時刻における、PG21の受光(ゲート)領域、転送トランジスタ22のゲート領域、リセットトランジスタ24のゲート領域、及び、FD部26の領域のポテンシャル(電位)の関係を、図7(a)に示す。時刻t1直後の時刻では、FD部26の上記リセット動作により、リセットトランジスタ24のゲート領域のポテンシャル障壁が低下し、FD部26の電位SFDが所定の電位にリセットされる。 Here, the relationship between the light receiving (gate) region of PG 21, the gate region of the transfer transistor 22, the gate region of the reset transistor 24, and the region of the FD portion 26 at the time immediately after time t 1 is shown in FIG. Shown in (a). The time t1 immediately after the time, by the reset operation of the FD section 26, reduces the potential barrier of the gate region of the reset transistor 24, the potential S FD of the FD portion 26 is reset to a predetermined potential.

次いで、時刻t2において、リセットトランジスタ24のゲートに印加する電圧をローレベル(例えば接地レベル)にする。ここで、時刻t2直後の時刻における、PG21の受光領域、転送トランジスタ22のゲート領域、リセットトランジスタ24のゲート領域、及び、FD部26の領域のポテンシャル(電位)の関係を、図7(b)に示す。時刻t2直後の時刻では、図7(b)に示すように、リセットトランジスタ24のゲートに印加される電圧レベルがローレベルであるので、リセットトランジスタ24のゲート領域のポテンシャル障壁が、図7(a)に示す状態より、上昇した状態となる。そして、この図7(b)に示す状態で、カラム処理部13は、中間転送処理におけるP相(リセット状態)の各種処理(比較処理及びカウント処理)を行う。   Next, at time t2, the voltage applied to the gate of the reset transistor 24 is set to a low level (eg, ground level). Here, the relationship between the potential of the light receiving region of PG21, the gate region of the transfer transistor 22, the gate region of the reset transistor 24, and the region of the FD portion 26 at the time immediately after time t2 is shown in FIG. Shown in At the time immediately after time t2, as shown in FIG. 7B, the voltage level applied to the gate of the reset transistor 24 is low, so that the potential barrier in the gate region of the reset transistor 24 is as shown in FIG. ) Is in an elevated state from the state shown in FIG. In the state shown in FIG. 7B, the column processing unit 13 performs various processes (comparison process and count process) of the P phase (reset state) in the intermediate transfer process.

具体的には、図7(b)に示す状態で、カラム処理部13(AD変換回路34)は、参照信号生成回路15から出力される参照信号(RAMP)の電圧レベルと、アナログCDS処理後のP相の出力信号(ΔV)の電圧レベルとの比較処理を行う。   Specifically, in the state shown in FIG. 7B, the column processing unit 13 (AD conversion circuit 34) performs the voltage level of the reference signal (RAMP) output from the reference signal generation circuit 15 and the analog CDS processing. The P level output signal (ΔV) is compared with the voltage level.

そして、カラム処理部13(デジタルCDS回路35)は、比較処理開始から、参照信号(RAMP)の電圧レベルと、アナログCDS処理後の出力信号(ΔV)とが同一レベルになるまでの時間(比較時間)をダウンカウントする。図6(g)に示す例では、時刻t3において、両信号のレベルが同一になり、この時刻でのカウント数が中間転送処理時のP相(リセット状態)の出力信号に対応するカウント数になる。   The column processing unit 13 (digital CDS circuit 35) then waits for a time (comparison) from the start of the comparison process until the voltage level of the reference signal (RAMP) and the output signal (ΔV) after the analog CDS process become the same level. Count down). In the example shown in FIG. 6G, the level of both signals becomes the same at time t3, and the count number at this time becomes the count number corresponding to the P-phase (reset state) output signal at the time of intermediate transfer processing. Become.

次いで、時刻t4において、中間電圧生成回路16は、転送トランジスタ22のゲートに中間電圧Vm(=VDD/2)を印加する(ステップS5)。これにより、中間転送処理におけるD相期間の処理(ステップS6)が開始される。   Next, at time t4, the intermediate voltage generation circuit 16 applies the intermediate voltage Vm (= VDD / 2) to the gate of the transfer transistor 22 (step S5). Thereby, the process (step S6) of the D phase period in the intermediate transfer process is started.

ここで、時刻t4直後の時刻における、PG21の受光領域、転送トランジスタ22のゲート領域、リセットトランジスタ24のゲート領域、及び、FD部26の領域のポテンシャル(電位)の関係を、図7(c)に示す。ステップS5の中間電圧Vmの印加動作により、転送トランジスタ22のゲート領域のポテンシャル障壁が低下する。これにより、図7(c)に示すように、上記ステップS2の露光動作によりPG21に蓄積された電荷量のうち、ポテンシャル障壁の低下分に対応する量の電荷が、FD部26に転送される。この結果、FD部26には、その信号転送状態(D相)に対応する電位SFDが発生する(図6(e)参照)。また、垂直信号線VSLには、FD部26の信号転送状態に対応する画素信号SVSLが出力される(図6(f)参照)。 Here, the relationship between the light receiving region of PG21, the gate region of the transfer transistor 22, the gate region of the reset transistor 24, and the region of the FD portion 26 at the time immediately after time t4 is shown in FIG. Shown in By applying the intermediate voltage Vm in step S5, the potential barrier in the gate region of the transfer transistor 22 is lowered. As a result, as shown in FIG. 7C, among the amount of charge accumulated in the PG 21 by the exposure operation in step S2, the amount of charge corresponding to the lowered potential barrier is transferred to the FD unit 26. . As a result, a potential SFD corresponding to the signal transfer state (D phase) is generated in the FD unit 26 (see FIG. 6E). Further, the pixel signal S VSL corresponding to the signal transfer state of the FD unit 26 is output to the vertical signal line VSL (see FIG. 6F ).

次いで、時刻t5において、転送トランジスタ22のゲートに印加する電圧(TRG)をローレベルにする。ここで、時刻t5直後の時刻における、PG21の受光領域、転送トランジスタ22のゲート領域、リセットトランジスタ24のゲート領域、及び、FD部26の領域のポテンシャル(電位)の関係を、図7(d)に示す。   Next, at time t5, the voltage (TRG) applied to the gate of the transfer transistor 22 is set to a low level. Here, the relationship between the light receiving region of PG21, the gate region of the transfer transistor 22, the gate region of the reset transistor 24, and the region of the FD portion 26 at the time immediately after time t5 is shown in FIG. Shown in

時刻t5直後の時刻では、図7(d)に示すように、リセットトランジスタ24のゲートに印加される電圧レベルがローレベルであるので、リセットトランジスタ24のゲート領域のポテンシャル障壁が、図7(c)に示す状態より、上昇した状態となる。そして、この図7(d)に示す状態で、カラム処理部13は、中間転送処理におけるD相(信号転送状態)の各種処理(比較処理及ぶカウント処理)を行う。   At the time immediately after time t5, as shown in FIG. 7D, the voltage level applied to the gate of the reset transistor 24 is at a low level. Therefore, the potential barrier in the gate region of the reset transistor 24 is as shown in FIG. ) Is in an elevated state from the state shown in FIG. Then, in the state shown in FIG. 7D, the column processing unit 13 performs various processes (comparison process and count process) of the D phase (signal transfer state) in the intermediate transfer process.

具体的には、図7(d)に示す状態で、カラム処理部13(AD変換回路34)は、参照信号生成回路15から出力される参照信号(RAMP)の電圧レベルと、アナログCDS処理後のD相の出力信号(ΔV)の電圧レベルとの比較処理を行う。   Specifically, in the state shown in FIG. 7D, the column processing unit 13 (AD conversion circuit 34) performs the voltage level of the reference signal (RAMP) output from the reference signal generation circuit 15 and the analog CDS processing. The D-phase output signal (ΔV) is compared with the voltage level.

そして、カラム処理部13(デジタルCDS回路)は、比較処理開始から、参照信号(RAMP)の電圧レベルと、アナログCDS処理後の出力信号(ΔV)とが同一レベルになるまでの時間(比較時間)をアップカウントする。図6(g)に示す例では、時刻t6において、両信号のレベルが同一になり、この時刻でのカウント数が中間転送処理時のD相(信号転送状態)の出力信号に対応するカウント数になる。   The column processing unit 13 (digital CDS circuit) then waits until the voltage level of the reference signal (RAMP) and the output signal (ΔV) after the analog CDS processing become the same level from the start of the comparison processing (comparison time). ). In the example shown in FIG. 6G, the level of both signals becomes the same at time t6, and the count number at this time is the count number corresponding to the D-phase (signal transfer state) output signal during the intermediate transfer process. become.

上述した中間転送処理時におけるP相期間及びD相期間の一連の処理により、アナログCDS処理後の出力信号(ΔV)に対して、AD変換処理及びデジタルCDS処理が施される。それゆえ、時刻t6に出力されるカウント数に対応する出力データ(図3中のDataA)は、デジタルCDS処理が施され、ノイズが除去された出力データとなる。   The AD conversion process and the digital CDS process are performed on the output signal (ΔV) after the analog CDS process by the series of processes in the P-phase period and the D-phase period during the intermediate transfer process described above. Therefore, the output data corresponding to the count number output at time t6 (Data A in FIG. 3) is output data that has been subjected to digital CDS processing and from which noise has been removed.

次いで、デジタルメモリ36は、上述のようにして測定された中間転送処理時のデジタルの出力データ(DataA)を記憶する(ステップS7)。   Next, the digital memory 36 stores the digital output data (Data A) during the intermediate transfer process measured as described above (step S7).

上記中間転送処理後、所定の時刻t7に、読み出し対象の画素20のリセットトランジスタ24のゲートにハイレベルの電圧(VDD)を印加して(ステップS8)、リセットトランジスタ24をON状態にする(図6(b)参照)。これにより、FD部26の電荷蓄積状態がリセットされ、完全転送処理におけるP相期間の処理(ステップS9)が開始される。なお、完全転送処理では、中間転送処理と同様にして、垂直信号線VSLに出力された画素信号に対して、単位回路30(カラム処理部13)内で、アナログCDS処理、AD変換処理(比較処理)及びデジタルCDS処理を施す。   After the intermediate transfer process, at a predetermined time t7, a high level voltage (VDD) is applied to the gate of the reset transistor 24 of the pixel 20 to be read (step S8), and the reset transistor 24 is turned on (FIG. 6 (b)). As a result, the charge accumulation state of the FD unit 26 is reset, and the P-phase period process (step S9) in the complete transfer process is started. In the complete transfer process, analog CDS process and AD conversion process (comparison) are performed on the pixel signal output to the vertical signal line VSL in the unit circuit 30 (column processing unit 13) as in the intermediate transfer process. Processing) and digital CDS processing.

ここで、時刻t7直後の時刻における、PG21の受光(ゲート)領域、転送トランジスタ22のゲート領域、リセットトランジスタ24のゲート領域、及び、FD部26の領域のポテンシャル(電位)の関係を、図8(a)に示す。時刻t7直後の時刻では、FD部26の上記リセット動作により、リセットトランジスタ24のゲート領域のポテンシャル障壁が低下し、FD部26の電位SFDが所定の電位にリセットされる。 Here, the relationship between the light receiving (gate) region of PG 21, the gate region of the transfer transistor 22, the gate region of the reset transistor 24, and the region of the FD portion 26 at the time immediately after time t 7 is shown in FIG. Shown in (a). Time t7 in the time immediately following, by the reset operation of the FD section 26, reduces the potential barrier of the gate region of the reset transistor 24, the potential S FD of the FD portion 26 is reset to a predetermined potential.

次いで、時刻t8において、リセットトランジスタ24のゲートに印加する電圧をローレベル(例えば接地レベル)にする。ここで、時刻t8直後の時刻における、PG21の受光領域、転送トランジスタ22のゲート領域、リセットトランジスタ24のゲート領域、及び、FD部26の領域のポテンシャル(電位)の関係を、図8(b)に示す。時刻t8直後の時刻では、図8(b)に示すように、リセットトランジスタ24のゲートに印加される電圧レベルがローレベルであるので、リセットトランジスタ24のゲート領域のポテンシャル障壁が、図8(a)に示す状態より、上昇した状態となる。そして、この図8(b)に示す状態で、カラム処理部13は、完全転送処理におけるP相(リセット状態)の各種処理(比較処理及ぶカウント処理)を行う。   Next, at time t8, the voltage applied to the gate of the reset transistor 24 is set to a low level (for example, the ground level). Here, the relationship between the potential of the light receiving region of PG21, the gate region of the transfer transistor 22, the gate region of the reset transistor 24, and the region of the FD portion 26 at the time immediately after time t8 is shown in FIG. Shown in At the time immediately after time t8, as shown in FIG. 8B, the voltage level applied to the gate of the reset transistor 24 is low, so that the potential barrier in the gate region of the reset transistor 24 is as shown in FIG. ) Is in an elevated state from the state shown in FIG. In the state shown in FIG. 8B, the column processing unit 13 performs various processes (comparison process and count process) in the P phase (reset state) in the complete transfer process.

具体的には、図8(b)に示す状態で、カラム処理部13(AD変換回路34)は、参照信号生成回路15から出力される参照信号(RAMP)の電圧レベルと、アナログCDS処理後のP相の出力信号(ΔV)の電圧レベルとの比較処理を行う。   Specifically, in the state shown in FIG. 8B, the column processing unit 13 (AD conversion circuit 34) performs the voltage level of the reference signal (RAMP) output from the reference signal generation circuit 15 and the analog CDS processing. The P level output signal (ΔV) is compared with the voltage level.

そして、カラム処理部13(デジタルCDS回路35)は、比較処理開始から、参照信号(RAMP)の電圧レベルと、アナログCDS処理後の出力信号(ΔV)とが同一レベルになるまでの時間(比較時間)をダウンカウントする。図6(g)に示す例では、時刻t9において、両信号のレベルが同一になり、この時刻でのカウント数が完全転送処理時のP相(リセット状態)の出力信号に対応するカウント数になる。   The column processing unit 13 (digital CDS circuit 35) then waits for a time (comparison) from the start of the comparison process until the voltage level of the reference signal (RAMP) and the output signal (ΔV) after the analog CDS process become the same level. Count down). In the example shown in FIG. 6G, the level of both signals becomes the same at time t9, and the count number at this time becomes the count number corresponding to the output signal of the P phase (reset state) at the time of complete transfer processing. Become.

次いで、時刻t10において、固体撮像装置1は、駆動電源6により転送トランジスタ22のゲートに電源電圧VDDを印加するとともに、PG21のゲート電極の電位をローレベル(例えば接地レベル)にする(ステップS10:図6(c)及び(d)参照)。これにより、完全転送処理におけるD相期間の処理(ステップS11)が開始される。   Next, at time t10, the solid-state imaging device 1 applies the power supply voltage VDD to the gate of the transfer transistor 22 by the drive power supply 6, and sets the potential of the gate electrode of PG21 to a low level (for example, ground level) (step S10: (Refer FIG.6 (c) and (d)). Thereby, the process (step S11) of the D phase period in the complete transfer process is started.

なお、本実施形態では、完全転送処理の終了時刻(時刻t12)まで、転送トランジスタ22のゲートに完全転送電圧(=VDD)を印加し続けるとともに、PG21のゲート電極の電位をローレベルに維持する。   In the present embodiment, the complete transfer voltage (= VDD) is continuously applied to the gate of the transfer transistor 22 until the complete transfer processing end time (time t12), and the potential of the gate electrode of PG21 is maintained at a low level. .

ここで、時刻t10直後の時刻における、PG21の受光領域、転送トランジスタ22のゲート領域、リセットトランジスタ24のゲート領域、及び、FD部26の領域のポテンシャル(電位)の関係を、図8(c)に示す。転送トランジスタ22のゲート領域のポテンシャル障壁は、電源電圧(VDD)の印加により、中間電圧Vm印加時(図8(b)の状態)のポテンシャル障壁より、さらに低下する。また、この際、PG21のゲート電極の電位をローレベルにすることにより、該ゲート電極領域のポテンシャル深さが浅く(小さく)なる。   Here, the relationship between the light receiving region of PG21, the gate region of the transfer transistor 22, the gate region of the reset transistor 24, and the region of the FD portion 26 at the time immediately after time t10 is shown in FIG. Shown in The potential barrier in the gate region of the transfer transistor 22 is further lowered by the application of the power supply voltage (VDD) from the potential barrier when the intermediate voltage Vm is applied (state in FIG. 8B). At this time, by setting the potential of the gate electrode of PG21 to a low level, the potential depth of the gate electrode region becomes shallow (small).

この結果、図8(c)に示すように、PG21のゲート電極領域のポテンシャルの底の位置は、転送トランジスタ22のゲート領域のポテンシャル障壁の高さ位置より高くなる。この場合、中間転送処理後にPG21に残っていた電荷が全て、FD部26に転送される。これにより、時刻t10以降では、FD部26には、その信号転送状態(D相)に対応する電位SFDが発生する(図6(e)参照)。また、垂直信号線VSLには、FD部26の信号転送状態に対応する画素信号SVSLが出力される(図6(f)参照)。 As a result, as shown in FIG. 8C, the bottom position of the potential of the gate electrode region of PG 21 is higher than the height position of the potential barrier of the gate region of the transfer transistor 22. In this case, all the charges remaining in the PG 21 after the intermediate transfer process are transferred to the FD unit 26. As a result, after time t10, a potential SFD corresponding to the signal transfer state (D phase) is generated in the FD unit 26 (see FIG. 6E). Further, the pixel signal S VSL corresponding to the signal transfer state of the FD unit 26 is output to the vertical signal line VSL (see FIG. 6F ).

次いで、図8(c)に示す状態で、カラム処理部13(AD変換回路34)は、参照信号生成回路15から出力される参照信号(RAMP)の電圧レベルと、アナログCDS処理後のD相の出力信号(ΔV)の電圧レベルとの比較処理を行う。   Next, in the state shown in FIG. 8C, the column processing unit 13 (AD conversion circuit 34) performs the voltage level of the reference signal (RAMP) output from the reference signal generation circuit 15 and the D phase after the analog CDS processing. Is compared with the voltage level of the output signal (ΔV).

そして、カラム処理部13(デジタルCDS回路)は、比較処理開始から、参照信号(RAMP)の電圧レベルと、アナログCDS処理後の出力信号(ΔV)とが同一レベルになるまでの時間(比較時間)をアップカウントする。図6(g)に示す例では、時刻t11において、両信号のレベルが同一になり、この時刻でのカウント数が完全転送処理時のD相(信号転送状態)の出力信号に対応するカウント数になる。   The column processing unit 13 (digital CDS circuit) then waits until the voltage level of the reference signal (RAMP) and the output signal (ΔV) after the analog CDS processing become the same level from the start of the comparison processing (comparison time). ). In the example shown in FIG. 6G, the level of both signals becomes the same at time t11, and the count number at this time is the count number corresponding to the output signal of the D phase (signal transfer state) during the complete transfer process. become.

上述した完全転送動作時におけるP相期間及びD相期間の一連の処理により、アナログCDS処理後の出力信号(ΔV)に対して、AD変換処理及びデジタルCDS処理が施される。それゆえ、時刻t11に出力されるカウント数に対応する出力データ(図3中のDataB)は、デジタルCDS処理が施され、ノイズが除去された出力データとなる。   The AD conversion process and the digital CDS process are performed on the output signal (ΔV) after the analog CDS process by the series of processes in the P-phase period and the D-phase period during the complete transfer operation described above. Therefore, the output data corresponding to the count number output at time t11 (Data B in FIG. 3) is output data that has been subjected to digital CDS processing and from which noise has been removed.

次いで、デジタルメモリ36は、上述のようにして測定された完全転送処理時のデジタルの出力データ(DataB)を記憶する(ステップS12)。   Next, the digital memory 36 stores the digital output data (Data B) during the complete transfer process measured as described above (step S12).

次いで、所定の時刻t12において、読み出し対象の画素20の選択トランジスタ25及び転送トランジスタ22のゲートの電位レベルをともに、ローレベル(接地レベル)にし、両トランジスタをOFF状態にする。また、時刻t12において、PG21のゲート電極に中間電圧Vm(=VDD/2)を印加する。本実施形態では、このようにして完全転送処理を終了する。   Next, at a predetermined time t12, the potential levels of the selection transistor 25 and the transfer transistor 22 of the pixel 20 to be read are both set to a low level (ground level), and both transistors are turned off. At time t12, an intermediate voltage Vm (= VDD / 2) is applied to the gate electrode of PG21. In the present embodiment, the complete transfer process is thus completed.

次いで、読み出し対象の画素20に対応するデジタル加算/非加算回路37は、上記中間転送処理により得られた出力データ(DataA)、及び、完全転送処理により得られた出力データ(DataB)をデジタルメモリ36から取得する。そして、デジタル加算/非加算回路37は、取得した各出力データのレベルに基づいて、2つの出力データ(DataA及びDataB)に対して加算処理又は非加算処理を行う(ステップS13)。具体的には、デジタル加算/非加算回路37は、各出力データのレベルが上述した状況A及びBである場合には、加算処理を行い、各出力データのレベルが上述した状況C及びDである場合には、非加算処理を行う。   Next, the digital addition / non-addition circuit 37 corresponding to the pixel 20 to be read out outputs the output data (Data A) obtained by the intermediate transfer process and the output data (Data B) obtained by the complete transfer process to the digital memory. 36. Then, the digital addition / non-addition circuit 37 performs addition processing or non-addition processing on the two output data (Data A and Data B) based on the acquired level of each output data (step S13). Specifically, the digital addition / non-addition circuit 37 performs addition processing when the level of each output data is in the above-described situations A and B, and the level of each output data is in the above-described situations C and D. In some cases, non-addition processing is performed.

本実施形態では、上述のようにして、分割読み出し方式によりPG21に蓄積された信号電荷を読み出す。なお、図5では、図示を省略するが、本実施形態では、上述したステップS3〜S13の処理を全ての画素20に対して実施する。   In the present embodiment, as described above, the signal charge accumulated in PG 21 is read out by the divided reading method. Although not shown in FIG. 5, in the present embodiment, the above-described processing of steps S <b> 3 to S <b> 13 is performed on all the pixels 20.

上述のように、本実施形態の固体撮像装置1では、分割読み出し方式を採用し、光電変換素子としてPG21(フォトゲート)を用いる。また、本実施形態では、各画素20内のPG21を中間電圧生成回路16から出力される中間電圧Vmで駆動する。また、本実施形態では、各画素20内の転送トランジスタ22を、中間転送動作時には、中間電圧Vmで駆動し、完全転送動作時には、外部の駆動電源6から出力される電源電圧VDDで駆動する。さらに、本実施形態では、転送トランジスタ22以外の画素トランジスタ、及び、垂直信号線VSL以降の各種回路は、駆動電源6から出力される電源電圧VDDで駆動する。   As described above, the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment employs the division readout method and uses PG21 (photogate) as the photoelectric conversion element. In this embodiment, the PG 21 in each pixel 20 is driven by the intermediate voltage Vm output from the intermediate voltage generation circuit 16. In this embodiment, the transfer transistor 22 in each pixel 20 is driven with the intermediate voltage Vm during the intermediate transfer operation, and is driven with the power supply voltage VDD output from the external drive power supply 6 during the complete transfer operation. Furthermore, in this embodiment, the pixel transistors other than the transfer transistor 22 and various circuits after the vertical signal line VSL are driven by the power supply voltage VDD output from the drive power supply 6.

それゆえ、本実施形態の固体撮像装置1では、単一の駆動電源6で駆動することができ、固体撮像装置1の低電力化を図ることができる。さらに、本実施形態では、部品点数を減らすことができるので、コストダウンを図ることもできる。   Therefore, in the solid-state imaging device 1 of the present embodiment, the solid-state imaging device 1 can be driven by a single drive power supply 6, and the power consumption of the solid-state imaging device 1 can be reduced. Furthermore, in this embodiment, since the number of parts can be reduced, the cost can be reduced.

<3.第2の実施形態:最適中間電圧が格納された記憶部を備える構成>
本開示の固体撮像装置では、上述のように、分割読み出し方式で画素信号を読み出す。ただし、この読み出し方式において、PG21で蓄積された電荷量に対応するデータ(画素信号)を正確に読み出すためには、完全転送動作の直前にPG21に残っている電荷量Qcを、FD部26の飽和電荷量Qfd以下の値にする必要がある。
<3. Second Embodiment: Configuration including a storage unit storing an optimum intermediate voltage>
In the solid-state imaging device according to the present disclosure, as described above, the pixel signal is read by the division reading method. However, in this readout method, in order to accurately read out the data (pixel signal) corresponding to the amount of charge accumulated in PG21, the amount of charge Qc remaining in PG21 immediately before the complete transfer operation is calculated using the FD unit 26. The value must be equal to or less than the saturation charge amount Qfd.

すなわち、完全転送動作の直前にPG21に残っている電荷量Qcと、中間転送動作毎に読み出される電荷量Qmと、PG21の飽和電荷量Qsと、FD部26の飽和電荷量Qfdとの間には、下記式(1)の関係が満たされなければならない。なお、下記式(1)中の「n」は、中間転送動作の回数である。
Qs−n×Qm=Qc≦Qfd …(1)
That is, between the charge amount Qc remaining in the PG 21 immediately before the complete transfer operation, the charge amount Qm read for each intermediate transfer operation, the saturation charge amount Qs of the PG 21, and the saturation charge amount Qfd of the FD unit 26 The relationship of the following formula (1) must be satisfied. Note that “n” in the following equation (1) is the number of intermediate transfer operations.
Qs−n × Qm = Qc ≦ Qfd (1)

そして、完全転送動作の直前にPG21に残っている電荷量Qc(以下、中間電圧保持電荷量Qcという)は、中間転送動作の回数が決まっている場合、中間転送動作時に転送トランジスタ22のゲートに印加する中間電圧Vmの値に依存して変化する。それゆえ、分割読み出し方式では、PG21で蓄積された電荷量に対応するデータ(画素信号)を正確に読み出すために、中間電圧Vmを、全ての画素20において上記式(1)の条件が満たされるような値に設定する必要がある。   The charge amount Qc remaining in PG 21 immediately before the complete transfer operation (hereinafter referred to as intermediate voltage holding charge amount Qc) is applied to the gate of the transfer transistor 22 during the intermediate transfer operation when the number of intermediate transfer operations is determined. It varies depending on the value of the applied intermediate voltage Vm. Therefore, in the divided readout method, in order to accurately read out the data (pixel signal) corresponding to the charge amount accumulated in PG21, the condition of the above formula (1) is satisfied for all the pixels 20 with the intermediate voltage Vm. It is necessary to set a value like this.

しかしながら、実際には、プロセス上の問題から、画素20毎に、転送トランジスタ22の性能(電気特性)が異なる。このような転送トランジスタ22の性能バラツキが存在すると、各画素20に同じ中間電圧Vmを印加してもPG21及びFD部26間のポテンシャル障壁の高さ(電位)にもバラツキが生じる。その結果、中間転送動作時に転送される電荷量Qmが画素20毎に異なり、最終的には、中間電圧保持電荷量Qcも、画素20毎に異なる。   In practice, however, the performance (electrical characteristics) of the transfer transistor 22 differs for each pixel 20 due to process problems. If there is such a performance variation of the transfer transistor 22, even if the same intermediate voltage Vm is applied to each pixel 20, the potential barrier height (potential) between the PG 21 and the FD unit 26 also varies. As a result, the charge amount Qm transferred during the intermediate transfer operation is different for each pixel 20, and finally, the intermediate voltage holding charge amount Qc is also different for each pixel 20.

この場合、PG21の中間電圧保持電荷量Qcが、FD部26の飽和電荷量Qfdより大きくなる画素20が発生する可能性があり、そのような画素20では、完全転送動作時に、FD部26で電荷が溢れ、画像データを正確に再現できない可能性もある。   In this case, there is a possibility that the pixel 20 in which the intermediate voltage holding charge amount Qc of the PG 21 is larger than the saturation charge amount Qfd of the FD unit 26 is generated. In such a pixel 20, the FD unit 26 performs the complete transfer operation. Charges may overflow and image data may not be accurately reproduced.

それゆえ、分割読み出し方式では、上述のような転送トランジスタ22の性能バラツキが存在する場合であっても、全ての画素20において、上記式(1)の条件が満たされるように、中間電圧Vmが設定されていることが好ましい。そこで、第2の実施形態では、全ての画素20において、上記式(1)の条件が満たされるような中間電圧Vmで読み出し可能な固体撮像装置の一構成例を説明する。   Therefore, in the divided readout method, even if there is a performance variation of the transfer transistor 22 as described above, the intermediate voltage Vm is set so that the condition of the above expression (1) is satisfied in all the pixels 20. It is preferable that it is set. Therefore, in the second embodiment, a configuration example of a solid-state imaging device that can be read with an intermediate voltage Vm that satisfies the condition of the above expression (1) in all the pixels 20 will be described.

[固体撮像装置の構成]
図9に、本開示の第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す。なお、図9は、固体撮像装置全体の概略ブロック構成図である。また、図9に示す本実施形態の固体撮像装置40において、図2に示す上記第1の実施形態の固体撮像装置1と同様の構成には、同じ符号を付して示す。
[Configuration of solid-state imaging device]
FIG. 9 illustrates a schematic configuration of a solid-state imaging apparatus according to the second embodiment of the present disclosure. FIG. 9 is a schematic block configuration diagram of the entire solid-state imaging device. Moreover, in the solid-state imaging device 40 of this embodiment shown in FIG. 9, the same code | symbol is attached | subjected and shown to the structure similar to the solid-state imaging device 1 of the said 1st Embodiment shown in FIG.

固体撮像装置40は、画素部10と、センサ制御回路11と、垂直走査回路12と、カラム処理部13とを備える。また、固体撮像装置40は、デジタル処理回路14と、参照信号生成回路15と、中間電圧生成回路16と、記憶部41とを備える。   The solid-state imaging device 40 includes a pixel unit 10, a sensor control circuit 11, a vertical scanning circuit 12, and a column processing unit 13. The solid-state imaging device 40 includes a digital processing circuit 14, a reference signal generation circuit 15, an intermediate voltage generation circuit 16, and a storage unit 41.

図9と図2との比較から明らかなように、本実施形態の固体撮像装置40の構成は、上記第1の実施形態の固体撮像装置1の構成において、さらに記憶部41を設けた構成であり、それ以外の構成は、上記第1の実施形態の対応する構成と同様である。それゆえ、ここでは、記憶部41の構成についてのみ説明する。   As is clear from a comparison between FIG. 9 and FIG. 2, the configuration of the solid-state imaging device 40 of the present embodiment is a configuration in which a storage unit 41 is further provided in the configuration of the solid-state imaging device 1 of the first embodiment. Other configurations are the same as the corresponding configurations of the first embodiment. Therefore, only the configuration of the storage unit 41 will be described here.

記憶部41は、例えば電気的にプログラム可能なヒューズ(eFuse:電気ヒューズ)等のメモリ素子で構成される。なお、固体撮像装置40の作製容易性の観点では、記憶部41として、画素20を構成するMOSトランジスタの形成工程と同時に作製できる構成のメモリ素子を用いることが好ましい。このような観点では、記憶部41を電気的にプログラム可能なヒューズ(eFuse)で構成することが好ましい。   The storage unit 41 includes a memory element such as an electrically programmable fuse (eFuse). From the viewpoint of ease of manufacturing the solid-state imaging device 40, it is preferable to use a memory element having a configuration that can be manufactured simultaneously with the formation process of the MOS transistor that forms the pixel 20 as the storage unit 41. From such a viewpoint, it is preferable that the storage unit 41 is configured by an electrically programmable fuse (eFuse).

記憶部41には、例えば、中間電圧Vmの最適値、中間転送動作の回数等の画素信号の読み出し時に必要な各種情報が格納される。本実施形態では、上述した転送トランジスタ22の性能バラツキが存在する場合でも、全ての画素20において、上記式(1)の条件が満たされるような中間電圧Vmの最適値(以下、最適中間電圧Vmoと記す)の情報が記憶される。   The storage unit 41 stores various information necessary for reading out pixel signals such as an optimum value of the intermediate voltage Vm and the number of intermediate transfer operations. In the present embodiment, even when the above-described performance variation of the transfer transistor 22 exists, the optimum value of the intermediate voltage Vm (hereinafter referred to as the optimum intermediate voltage Vmo) that satisfies the condition of the above expression (1) in all the pixels 20. Information) is stored.

なお、本実施形態では、読み出し時に必要な各種情報として、画素20毎の中間電圧Vmの最適値(Vmd)を全て記憶部41に格納してもよい。また、固体撮像装置40において、予め中間転送動作の回数が決まっている場合には、中間転送動作の回数の情報を記憶部41に格納する必要は無い。なお、中間転送の回数は、例えば、PG21の飽和電荷量Qs及びFD部26の飽和電荷量Qfdの設計値や、固体撮像装置40のフレームレート仕様などを考慮して設定される。   In the present embodiment, all of the optimum value (Vmd) of the intermediate voltage Vm for each pixel 20 may be stored in the storage unit 41 as various pieces of information necessary for reading. Further, in the solid-state imaging device 40, when the number of intermediate transfer operations is determined in advance, it is not necessary to store information on the number of intermediate transfer operations in the storage unit 41. The number of intermediate transfers is set in consideration of, for example, the design value of the saturation charge amount Qs of PG 21 and the saturation charge amount Qfd of the FD unit 26, the frame rate specification of the solid-state imaging device 40, and the like.

また、記憶部41は、中間電圧生成回路16に接続され、画素信号の読み出し時には、記憶部41に格納された最適中間電圧Vmoの情報が中間電圧生成回路16に出力される。中間電圧生成回路16は、取得した最適中間電圧Vmoの情報に基づいて、最適中間電圧Vmoを生成し、画素20に印加する。なお、最適中間電圧Vmoは、後述するように、出荷前に予め外部の検査機器を用いて測定される。   Further, the storage unit 41 is connected to the intermediate voltage generation circuit 16, and information on the optimum intermediate voltage Vmo stored in the storage unit 41 is output to the intermediate voltage generation circuit 16 when reading out the pixel signal. The intermediate voltage generation circuit 16 generates the optimum intermediate voltage Vmo based on the acquired information about the optimum intermediate voltage Vmo and applies it to the pixel 20. Note that the optimum intermediate voltage Vmo is measured in advance using an external inspection device before shipment, as will be described later.

さらに、図9には示さないが、本実施形態の固体撮像装置40は、外部の検査機器で測定された最適中間電圧Vmoの情報を取得して、該情報を記憶部41に書き込む書き込み制御部を備えていてもよい。   Further, although not shown in FIG. 9, the solid-state imaging device 40 of the present embodiment acquires information on the optimum intermediate voltage Vmo measured by an external inspection device and writes the information in the storage unit 41. May be provided.

[最適中間電圧Vmoの設定手法]
次に、本実施形態の固体撮像装置40における最適中間電圧Vmoの設定手法について説明する。
[Optimum intermediate voltage Vmo setting method]
Next, a method for setting the optimum intermediate voltage Vmo in the solid-state imaging device 40 of the present embodiment will be described.

(1)中間電圧設定システムの構成
図10に、固体撮像装置40の最適中間電圧Vmoの測定及び設定を行うための中間電圧設定システムの概略ブロック構成を示す。中間電圧設定システムは、図10に示すように、検査対象の固体撮像装置40と、その外部に設けられた検査機器50とで構成される。
(1) Configuration of Intermediate Voltage Setting System FIG. 10 shows a schematic block configuration of an intermediate voltage setting system for measuring and setting the optimum intermediate voltage Vmo of the solid-state imaging device 40. As shown in FIG. 10, the intermediate voltage setting system includes a solid-state imaging device 40 to be inspected and an inspection device 50 provided outside thereof.

検査機器50は、中間電圧設定部51を有する。なお、図10には示さないが、検査機器50は、最適中間電圧Vmoの設定動作を制御するための制御部を備える。また、本実施形態では、検査機器50が最適中間電圧Vmoの設定動作時に画素部10の受光部に照射する均一光の検査用光源を備えていてもよいし、該検査用光源が、検査機器50とは別個に設けられていてもよい。   The inspection device 50 includes an intermediate voltage setting unit 51. Although not shown in FIG. 10, the inspection device 50 includes a control unit for controlling the setting operation of the optimum intermediate voltage Vmo. In the present embodiment, the inspection device 50 may include a uniform light inspection light source that irradiates the light receiving unit of the pixel unit 10 during the setting operation of the optimum intermediate voltage Vmo. 50 may be provided separately.

中間電圧設定部51は、固体撮像装置40内のデジタル処理回路14に接続され、最適中間電圧Vmoの設定動作時には、各画素20に対して種々の中間電圧Vmを印加した際に得られる出力データを取得する。また、中間電圧設定部51は、取得した種々の出力データに基づいて、各画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdを求める。なお、上述のように、各画素20内の転送トランジスタ22には性能バラツキが存在するので、各画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdにもバラツキが生じる。   The intermediate voltage setting unit 51 is connected to the digital processing circuit 14 in the solid-state imaging device 40, and output data obtained when various intermediate voltages Vm are applied to each pixel 20 during the setting operation of the optimum intermediate voltage Vmo. To get. Further, the intermediate voltage setting unit 51 obtains the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm of each pixel 20 based on the acquired various output data. As described above, since there is a performance variation in the transfer transistor 22 in each pixel 20, the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm of each pixel 20 also varies.

さらに、中間電圧設定部51は、画素20毎に求められた中間電圧Vmの最適値Vmdの中から、全ての画素20において、読み出し時に上記式(1)の条件が満たされるような最適中間電圧Vmoを決定する。この例では、画素20毎に求められた最適な中間電圧Vmdの中から、その最大値を選択し、該最大値を最適中間電圧Vmoとする。また、中間電圧設定部51は、固体撮像装置40内の記憶部41に接続され、求めた最適中間電圧Vmoの情報を記憶部41に書き込む。   Further, the intermediate voltage setting unit 51 selects an optimum intermediate voltage that satisfies the condition of the above formula (1) at the time of reading out from all the optimum values Vmd of the intermediate voltage Vm obtained for each pixel 20. Determine Vmo. In this example, the maximum value is selected from the optimum intermediate voltage Vmd obtained for each pixel 20, and the maximum value is set as the optimum intermediate voltage Vmo. The intermediate voltage setting unit 51 is connected to the storage unit 41 in the solid-state imaging device 40, and writes the obtained information about the optimum intermediate voltage Vmo into the storage unit 41.

(2)最適中間電圧Vmoの設定動作
次に、図11及び12を参照しながら、固体撮像装置40の最適中間電圧Vmoの設定動作を、より具体的に説明する。なお、図11は、最適中間電圧Vmoの設定動作の手順を示すフローチャートである。また、図12は、最適中間電圧Vmoの設定時におけるリセット信号(RST)、転送信号(TRG)、垂直信号線VSLに出力される画素信号(SVSL)、参照信号(RAMP)、及び、アナログCDS処理後の信号(ΔV)のタイミングチャートである。なお、図12では、AD変換回路34での比較処理の様子を明確にするため、参照信号(RAMP)と、アナログCDS処理後の信号(ΔV)とを重ねて記載する。
(2) Setting Operation of Optimal Intermediate Voltage Vmo Next, the setting operation of the optimal intermediate voltage Vmo of the solid-state imaging device 40 will be described more specifically with reference to FIGS. FIG. 11 is a flowchart showing the procedure for setting the optimum intermediate voltage Vmo. FIG. 12 shows a reset signal (RST), a transfer signal (TRG), a pixel signal (S VSL ) output to the vertical signal line VSL, a reference signal (RAMP), and an analog signal when the optimum intermediate voltage Vmo is set. It is a timing chart of the signal (ΔV) after CDS processing. In FIG. 12, the reference signal (RAMP) and the signal (ΔV) after the analog CDS process are described in an overlapping manner in order to clarify the state of the comparison process in the AD conversion circuit 34.

なお、以下に説明する最適中間電圧Vmoの設定動作は、外部の検査機器50内の図示しない制御部により制御される。   The setting operation of the optimum intermediate voltage Vmo described below is controlled by a control unit (not shown) in the external inspection device 50.

まず、オペレータ等が、検査対象の固体撮像装置40を検査機器50に接続する。具体的には、検査機器50内の中間電圧設定部51の入力端子を固体撮像装置40内のデジタル処理回路14に接続し、中間電圧設定部51の出力端子を固体撮像装置40内の記憶部41に接続する(図10参照)。   First, an operator or the like connects the solid-state imaging device 40 to be inspected to the inspection device 50. Specifically, the input terminal of the intermediate voltage setting unit 51 in the inspection device 50 is connected to the digital processing circuit 14 in the solid-state imaging device 40, and the output terminal of the intermediate voltage setting unit 51 is connected to the storage unit in the solid-state imaging device 40. 41 (see FIG. 10).

次いで、検査機器50は、中間電圧生成回路16を制御して、画素部10内の各画素20に印加する中間電圧Vmを、所定の初期値Vm_0に設定する(ステップS21)。なお、ここでは、中間電圧Vmの初期値Vm_0は、中間電圧Vmの可変領域(Vm_0〜Vm_max)の最小値とする。   Next, the inspection device 50 controls the intermediate voltage generation circuit 16 to set the intermediate voltage Vm applied to each pixel 20 in the pixel unit 10 to a predetermined initial value Vm_0 (step S21). Here, the initial value Vm_0 of the intermediate voltage Vm is the minimum value of the variable region (Vm_0 to Vm_max) of the intermediate voltage Vm.

次いで、検査機器50は、画素部10の受光部に均一光を照射して、各画素20を強制的に飽和させる(ステップS22)。なお、この際、各画素20のPG21のゲート電極には、その飽和電荷量Qsに対応する電圧を印加する。このステップS22により、PG21は、その飽和電荷量Qsの電荷が蓄積された状態となる。   Next, the inspection device 50 irradiates the light receiving unit of the pixel unit 10 with uniform light to forcibly saturate each pixel 20 (step S22). At this time, a voltage corresponding to the saturation charge amount Qs is applied to the gate electrode of the PG 21 of each pixel 20. By this step S22, the PG 21 is in a state where charges of the saturation charge amount Qs are accumulated.

次いで、検査機器50は、固体撮像装置40を制御し、所定の画素20において、次のような中間転送動作をn回行う(ステップS23)。なお、各中間転送動作では、上記単位回路30の動作で説明したように、アナログCDS処理、AD変換処理(比較処理)及びデジタルCDS処理を行う。また、ここでは、説明を簡略化するため中間転送動作を1回(n=1)行う例を説明する。   Next, the inspection device 50 controls the solid-state imaging device 40 and performs the following intermediate transfer operation n times in the predetermined pixel 20 (step S23). In each intermediate transfer operation, analog CDS processing, AD conversion processing (comparison processing), and digital CDS processing are performed as described in the operation of the unit circuit 30. Here, an example in which the intermediate transfer operation is performed once (n = 1) will be described to simplify the description.

具体的には、まず、検査機器50は、固体撮像装置40のセンサ制御回路11及び垂直走査回路12を制御して、所定の時刻tb0(図12参照)に、測定対象の画素20のリセットトランジスタ24のゲートにハイレベルのリセット信号を供給する。このリセット動作により、FD部26の電位が電源電圧VDDにリセットされ、FD部26に溜まっていた電荷が排出される。   Specifically, first, the inspection device 50 controls the sensor control circuit 11 and the vertical scanning circuit 12 of the solid-state imaging device 40 to reset the reset transistor of the pixel 20 to be measured at a predetermined time tb0 (see FIG. 12). A high level reset signal is supplied to 24 gates. By this reset operation, the potential of the FD unit 26 is reset to the power supply voltage VDD, and the electric charge accumulated in the FD unit 26 is discharged.

その後、固体撮像装置40内のカラム処理部13では、参照信号RAMPの電圧レベルとアナログCDS処理後の信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルとが同じレベルになるまで両信号の比較処理が行われる。図12に示す例では、時刻tb1で、参照信号RAMPの電圧レベルと、アナログCDS処理後の信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルとが同レベルになり、このタイミングで、中間転送動作時のP相(リセット状態)の出力データが得られる。しかしながら、最適中間電圧Vmoの設定動作では、中間転送動作時のP相の出力データは読み出さない。   Thereafter, the column processing unit 13 in the solid-state imaging device 40 compares both signals until the voltage level of the reference signal RAMP and the voltage level of the signal after the analog CDS processing (potential difference signal ΔV) become the same level. . In the example shown in FIG. 12, at time tb1, the voltage level of the reference signal RAMP and the voltage level of the signal (potential difference signal ΔV) after the analog CDS processing become the same level. Phase (reset state) output data is obtained. However, in the setting operation of the optimum intermediate voltage Vmo, the P-phase output data during the intermediate transfer operation is not read out.

次いで、時刻tb2に、検査機器50は、固体撮像装置40のセンサ制御回路11、垂直走査回路12及び中間電圧生成回路16を制御して、中間電圧Vmの初期値Vm_0又は後述のステップS29で更新された中間電圧Vmを測定対象の画素20に印加する。この中間電圧Vmの印加動作により、転送トランジスタ22のゲート領域のポテンシャル障壁が低下する。これにより、PG21に蓄積された電荷量(飽和電荷量Qs)のうち、ポテンシャル障壁の低下分に対応する量の電荷(電荷量Qm)が、FD部26に転送される。   Next, at time tb2, the inspection device 50 controls the sensor control circuit 11, the vertical scanning circuit 12, and the intermediate voltage generation circuit 16 of the solid-state imaging device 40, and is updated in the initial value Vm_0 of the intermediate voltage Vm or step S29 described later. The intermediate voltage Vm thus applied is applied to the pixel 20 to be measured. By applying the intermediate voltage Vm, the potential barrier in the gate region of the transfer transistor 22 is lowered. As a result, of the amount of charge accumulated in PG 21 (saturated charge amount Qs), the amount of charge (charge amount Qm) corresponding to the potential barrier drop is transferred to the FD unit 26.

その後、固体撮像装置40内のカラム処理部13では、参照信号RAMPの電圧レベルとアナログCDS処理後の信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルとが同じレベルになるまで両信号の比較処理が行われる。図12に示す例では、時刻tb3で、参照信号RAMPの電圧レベルと、アナログCDS処理後の信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルとが同レベルになり、このタイミングで、中間転送動作時のD相(信号転送状態)の出力データが得られる。しかしながら、最適中間電圧Vmoの設定動作では、中間転送動作時のD相の出力データは読み出さない。本実施形態では、このようにしてステップS23の中間転送動作を行う。なお、中間転送動作を2回以上行う場合には、上記中間転送動作を2回以上繰り返して行う。   Thereafter, the column processing unit 13 in the solid-state imaging device 40 compares both signals until the voltage level of the reference signal RAMP and the voltage level of the signal after the analog CDS processing (potential difference signal ΔV) become the same level. . In the example shown in FIG. 12, at time tb3, the voltage level of the reference signal RAMP and the voltage level of the signal after the analog CDS processing (potential difference signal ΔV) become the same level. Phase (signal transfer state) output data is obtained. However, in the setting operation of the optimum intermediate voltage Vmo, the D-phase output data during the intermediate transfer operation is not read out. In this embodiment, the intermediate transfer operation in step S23 is performed in this way. When the intermediate transfer operation is performed twice or more, the intermediate transfer operation is repeated twice or more.

次いで、検査機器50は、固体撮像装置40を制御し、所定の画素20に対して、次のような完全転送動作を行う(ステップS24)。なお、完全転送動作では、出荷後の通常動作時と同様にして、アナログCDS処理、AD変換処理(比較処理)及びデジタルCDS処理を行い、出力データを取得する。   Next, the inspection device 50 controls the solid-state imaging device 40 and performs the following complete transfer operation on the predetermined pixel 20 (step S24). In the complete transfer operation, analog CDS processing, AD conversion processing (comparison processing), and digital CDS processing are performed in the same manner as in normal operation after shipment, and output data is acquired.

具体的には、まず、図12に示すように、検査機器50は、固体撮像装置40のセンサ制御回路11及び垂直走査回路12を制御して、時刻tb4(>tb3)に、測定対象の画素20のリセットトランジスタ24のゲートにハイレベルのリセット信号を供給する。このリセット動作により、FD部26の電位が電源電圧VDDにリセットされ、FD部26に溜まっていた電荷が排出される。   Specifically, first, as shown in FIG. 12, the inspection device 50 controls the sensor control circuit 11 and the vertical scanning circuit 12 of the solid-state imaging device 40, and at the time tb4 (> tb3), the pixel to be measured. A high level reset signal is supplied to the gate of the 20 reset transistors 24. By this reset operation, the potential of the FD unit 26 is reset to the power supply voltage VDD, and the electric charge accumulated in the FD unit 26 is discharged.

その後、固体撮像装置40内のカラム処理部13では、参照信号RAMPの電圧レベルとアナログCDS処理後の信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルとが同じレベルになるまで両信号の比較処理が行われる。図12に示す例では、時刻tb5で、参照信号RAMPの電圧レベルと、アナログCDS処理後の信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルとが同レベルになり、このタイミングで、完全転送動作時のP相(リセット状態)の出力データが得られる。   Thereafter, the column processing unit 13 in the solid-state imaging device 40 compares both signals until the voltage level of the reference signal RAMP and the voltage level of the signal after the analog CDS processing (potential difference signal ΔV) become the same level. . In the example shown in FIG. 12, at time tb5, the voltage level of the reference signal RAMP and the voltage level of the signal (potential difference signal ΔV) after the analog CDS processing become the same level. Phase (reset state) output data is obtained.

次いで、図12に示すように、時刻tb6において、検査機器50は、固体撮像装置40のセンサ制御回路11及び垂直走査回路12を制御して、完全転送時の電圧(完全転送電圧Vc>Vm)を測定対象の画素20の転送トランジスタ22に供給する。また、この際、PG21のゲート電極にローレベル(例えば接地レベル)の電圧を印加して、ゲート電極領域のポテンシャルの深さを浅くする。   Next, as shown in FIG. 12, at time tb6, the inspection device 50 controls the sensor control circuit 11 and the vertical scanning circuit 12 of the solid-state imaging device 40, and complete transfer voltage (complete transfer voltage Vc> Vm). Is supplied to the transfer transistor 22 of the pixel 20 to be measured. At this time, a low level (for example, ground level) voltage is applied to the gate electrode of PG 21 to reduce the potential depth of the gate electrode region.

なお、完全転送電圧Vcは、完全転送電圧Vcが転送トランジスタ22のゲートに印加された際に、転送トランジスタ22のゲート領域のポテンシャル障壁がPG21のポテンシャルの底の位置又はそれより低い位置となるような値に設定される。例えば、完全転送電圧Vcは、固体撮像装置1の電源電圧VDD等に設定することができる。   Note that the complete transfer voltage Vc is such that when the complete transfer voltage Vc is applied to the gate of the transfer transistor 22, the potential barrier of the gate region of the transfer transistor 22 is positioned at the bottom of the potential of the PG 21 or at a lower position. Set to the correct value. For example, the complete transfer voltage Vc can be set to the power supply voltage VDD of the solid-state imaging device 1 or the like.

上記電圧の印加動作により、完全転送動作の直前(最後の中間転送動作後)にPG21に蓄積されていた全電荷(中間電圧保持電荷量Qc=Qs−n×Qm)が、FD部26に転送される(図8(c)参照)。   Due to the voltage application operation, all charges (intermediate voltage holding charge amount Qc = Qs−n × Qm) accumulated in PG 21 immediately before the complete transfer operation (after the last intermediate transfer operation) are transferred to the FD unit 26. (See FIG. 8C).

その後、固体撮像装置40内のカラム処理部13では、参照信号RAMPの電圧レベルとアナログCDS処理後の信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルとが同じレベルになるまで両信号の比較処理が行われる。図12に示す例では、時刻tb7で、参照信号RAMPの電圧レベルと、アナログCDS処理後の信号(電位差信号ΔV)の電圧レベルとが同レベルになり、このタイミングで、完全転送動作時のD相(信号転送状態)の出力データが得られる。すなわち、時刻tb7において、完全転送動作の直前(最後の中間転送動作後)にPG21に蓄積されていた電荷量(中間電圧保持電荷量Qc=Qs−n×Qm)に対応する出力データWDMOFが得られる。   Thereafter, the column processing unit 13 in the solid-state imaging device 40 compares both signals until the voltage level of the reference signal RAMP and the voltage level of the signal after the analog CDS processing (potential difference signal ΔV) become the same level. . In the example shown in FIG. 12, at time tb7, the voltage level of the reference signal RAMP and the voltage level of the signal (potential difference signal ΔV) after the analog CDS processing become the same level. Phase (signal transfer state) output data is obtained. That is, at time tb7, output data WDMOF corresponding to the charge amount (intermediate voltage holding charge amount Qc = Qs−n × Qm) stored in PG21 immediately before the complete transfer operation (after the last intermediate transfer operation) is obtained. It is done.

本実施形態では、上述のようにしてステップS23及びS24の転送動作を行い、完全転送動作の直前(最後の中間転送動作後)におけるPG21の中間電圧保持電荷量Qcに対応する出力データWDMOFを取得する。   In the present embodiment, the transfer operations in steps S23 and S24 are performed as described above, and output data WDMOF corresponding to the intermediate voltage holding charge amount Qc of PG21 immediately before the complete transfer operation (after the last intermediate transfer operation) is obtained. To do.

そして、固体撮像装置40は、ステップS24で得られた中間電圧保持電荷量Qcに対応する出力データWDMOFを、デジタル処理回路14を介して、検査機器50内の中間電圧設定部51に出力する(ステップS25)。その後、時刻tb8〜tb9の間に、検査機器50は、固体撮像装置40のセンサ制御回路11及び垂直走査回路12を制御して、測定対象の画素20の転送トランジスタ22及びリセットトランジスタ24の各ゲートにハイレベルの信号を供給する。また、この際、図12には示さないが、PG21のゲート電極の電位レベルをローレベルに維持する。これにより、PG21及びFD部26の両方がリセット状態となり(電荷量が零になり)、所定の画素20(カラム)に対する上述した中間転送及び完全転送の動作が終了する。   Then, the solid-state imaging device 40 outputs the output data WDMOF corresponding to the intermediate voltage holding charge amount Qc obtained in step S24 to the intermediate voltage setting unit 51 in the inspection device 50 via the digital processing circuit 14 ( Step S25). Thereafter, during time tb8 to tb9, the inspection device 50 controls the sensor control circuit 11 and the vertical scanning circuit 12 of the solid-state imaging device 40, and each gate of the transfer transistor 22 and the reset transistor 24 of the pixel 20 to be measured. Supply a high level signal. At this time, although not shown in FIG. 12, the potential level of the gate electrode of PG21 is maintained at a low level. As a result, both the PG 21 and the FD unit 26 are in a reset state (the charge amount becomes zero), and the above-described intermediate transfer and complete transfer operations for the predetermined pixel 20 (column) are completed.

次いで、検査機器50は、全ての画素20に対して上記測定を行ったか否かを判定する(ステップS26)。   Next, the inspection device 50 determines whether or not the above measurement has been performed on all the pixels 20 (step S26).

ステップS26において、全て画素20に対して、上述したステップS23〜S25の処理が終了していない場合、ステップS26はNO判定となる。この場合には、検査機器50は、測定対象の画素20を変更する(ステップS27)。次いで、ステップS23の処理に戻り、その後は、全ての画素20の測定が終了するまで、上述したステップS23〜S27の処理を繰り返す。   If it is determined in step S26 that the processing in steps S23 to S25 described above has not been completed for all the pixels 20, the determination in step S26 is NO. In this case, the inspection device 50 changes the measurement target pixel 20 (step S27). Next, the process returns to the process of step S23, and thereafter, the processes of steps S23 to S27 described above are repeated until the measurement of all the pixels 20 is completed.

一方、ステップS26において、全て画素20に対して、上述したステップS23〜S25の処理が終了した場合、ステップS26はYES判定となる。この場合には、検査機器50は、現在、転送トランジスタ22に印加している中間電圧Vmが、予め設定した中間電圧Vmの最大値Vm_maxであるか否かを判定する(ステップS28)。   On the other hand, in step S26, when the processes of steps S23 to S25 described above are completed for all the pixels 20, step S26 is YES. In this case, the inspection device 50 determines whether or not the intermediate voltage Vm currently applied to the transfer transistor 22 is the preset maximum value Vm_max of the intermediate voltage Vm (step S28).

ステップS28において、現在の中間電圧Vmがその最大値Vm_maxでない場合、ステップS28はNO判定となる。この場合には、検査機器50は、固体撮像装置40のセンサ制御回路11、垂直走査回路12及び中間電圧生成回路16を制御して、転送トランジスタ22に印加する中間電圧Vmを更新する(ステップS29)。例えば、中間電圧Vmを、所定量ΔVmだけ増大させる(Vm=Vm+ΔVmに設定する)。なお、中間電圧Vmの増加分(ΔVm)は、中間電圧Vmの可変領域(Vm_0〜Vm_max)全般に渡って一定であってもよいし、中間電圧Vmの最適値Vmd付近の領域の増加分(ΔVm)をその他の領域のそれより小さくしてもよい。   In step S28, if the current intermediate voltage Vm is not the maximum value Vm_max, step S28 is NO. In this case, the inspection device 50 controls the sensor control circuit 11, the vertical scanning circuit 12, and the intermediate voltage generation circuit 16 of the solid-state imaging device 40 to update the intermediate voltage Vm applied to the transfer transistor 22 (step S29). ). For example, the intermediate voltage Vm is increased by a predetermined amount ΔVm (set to Vm = Vm + ΔVm). The increase (ΔVm) of the intermediate voltage Vm may be constant over the entire variable range (Vm_0 to Vm_max) of the intermediate voltage Vm, or an increase in the region near the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm ( ΔVm) may be smaller than that of other regions.

ステップS29で中間電圧Vmを更新した後は、ステップS22の処理に戻り、その後は、中間電圧Vmがその最大値Vm_maxになるまで、上述したステップS22〜S29の処理を繰り返す。   After the intermediate voltage Vm is updated in step S29, the process returns to step S22, and thereafter, the processes in steps S22 to S29 described above are repeated until the intermediate voltage Vm reaches its maximum value Vm_max.

一方、ステップS28において、現在の中間電圧Vmがその最大値Vm_maxである場合、ステップS28はYES判定となる。この場合には、中間電圧設定部51は、各画素20において上記各種処理で得られた、種々の中間電圧Vm(Vm_0〜Vm_max)に対応する種々の出力データWDMOFに基づいて、各画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdを算出する(ステップS30)。具体的には、次のようにして、各画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdを求める。   On the other hand, if the current intermediate voltage Vm is the maximum value Vm_max in step S28, step S28 is YES. In this case, the intermediate voltage setting unit 51 determines each pixel 20 based on various output data WDMOF corresponding to various intermediate voltages Vm (Vm_0 to Vm_max) obtained by the various processes in each pixel 20. An optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm is calculated (step S30). Specifically, the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm of each pixel 20 is obtained as follows.

図13に、各画素20において、上記ステップS21〜S29の処理で得られた、種々の中間電圧Vm(Vm_0〜Vm_max)と各中間電圧Vmに対応する出力データWDMOF(中間電圧保持電荷量Qcに対応する出力データ)との関係を示す。なお、図13に示す特性において、横軸は中間電圧Vmであり、縦軸は出力データWDMOFである。   In FIG. 13, in each pixel 20, various intermediate voltages Vm (Vm_0 to Vm_max) obtained by the processing in steps S21 to S29 and output data WDMOF (intermediate voltage holding charge amount Qc) corresponding to each intermediate voltage Vm are obtained. The corresponding output data). In the characteristics shown in FIG. 13, the horizontal axis represents the intermediate voltage Vm, and the vertical axis represents the output data WDMOF.

出力データWDMOFは、図13に示すように、中間電圧Vmが最大値Vm_maxのときに、最小値WDMOF_0となる。これは、中間電圧Vmが最大のとき、中間転送動作でPG21からFD部26に転送される電荷量Qmが最大となるので、完全転送動作の直前におけるPG21の中間電圧保持電荷量Qcが最小になるためである。   As shown in FIG. 13, the output data WDMOF becomes the minimum value WDMOF_0 when the intermediate voltage Vm is the maximum value Vm_max. This is because, when the intermediate voltage Vm is maximum, the amount of charge Qm transferred from the PG 21 to the FD unit 26 in the intermediate transfer operation is maximum, so that the intermediate voltage holding charge amount Qc of the PG 21 immediately before the complete transfer operation is minimized. It is to become.

また、中間電圧Vmが最大値Vm_maxより小さくなると、出力データWDMOFは直線的に大きくなる。この変化領域では、中間電圧Vmの低下に伴い、中間転送動作でPG21からFD部26に転送される電荷量Qmが小さくなり、完全転送動作の直前におけるPG21の中間電圧保持電荷量Qcが増大する。   Further, when the intermediate voltage Vm becomes smaller than the maximum value Vm_max, the output data WDMOF increases linearly. In this change region, as the intermediate voltage Vm decreases, the charge amount Qm transferred from the PG 21 to the FD unit 26 in the intermediate transfer operation decreases, and the intermediate voltage holding charge amount Qc of the PG 21 immediately before the complete transfer operation increases. .

そして、完全転送動作時に転送される電荷量(Qc)がFD部26の飽和電荷量Qfdと等しくなる中間電圧(Vm_s)付近及びそれより小さな中間電圧Vmの領域では、出力データWDMOFの値は一定(最大値WDMOF_max)になる。この出力一定の領域では、完全転送動作時において、FD部26に転送される電荷量(Qc)がその飽和電荷量Qfd以上となるので、出力データWDMOFは、飽和して、最大値WDMOF_maxで一定となる。   The value of the output data WDMOF is constant in the vicinity of the intermediate voltage (Vm_s) where the charge amount (Qc) transferred during the complete transfer operation is equal to the saturation charge amount Qfd of the FD section 26 and in the region of the intermediate voltage Vm smaller than that. (Maximum value WDMOF_max). In this constant output region, the charge amount (Qc) transferred to the FD unit 26 during the complete transfer operation is equal to or greater than the saturation charge amount Qfd, so that the output data WDMOF is saturated and constant at the maximum value WDMOF_max. It becomes.

上述のように、出力データWDMOFが飽和する図13中の中間電圧Vm_s付近において、完全転送動作の直前におけるPG21の中間電圧保持電荷量Qcが、FD部26の飽和電荷量Qfdと略同じなる。すなわち、中間電圧Vm_s付近の状態が、上記式(1)の下限(Qc=Qm)に対応する状態であり、図13に示す特性の中間電圧Vm_s〜Vm_maxの範囲が、上記式(1)の条件を満足する好適な中間電圧Vmの範囲となる。   As described above, in the vicinity of the intermediate voltage Vm_s in FIG. 13 where the output data WDMOF is saturated, the intermediate voltage holding charge amount Qc of PG 21 immediately before the complete transfer operation is substantially the same as the saturated charge amount Qfd of the FD section 26. That is, the state in the vicinity of the intermediate voltage Vm_s corresponds to the lower limit (Qc = Qm) of the above equation (1), and the range of the intermediate voltages Vm_s to Vm_max having the characteristics shown in FIG. A suitable intermediate voltage Vm range that satisfies the conditions is obtained.

それゆえ、ステップS30では、中間電圧設定部51は、図13に示す中間電圧Vmと出力データWDMOFとの関係に基づいて、中間電圧Vm_s〜Vm_maxの範囲の中から、所定の中間電圧Vmを、画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdとする。本実施形態では、PG21の中間電圧保持電荷量QcがFD部26の飽和電荷量Qfdと略同じになる中間電圧Vm_sを、画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdとする。   Therefore, in step S30, the intermediate voltage setting unit 51 selects a predetermined intermediate voltage Vm from the range of the intermediate voltages Vm_s to Vm_max based on the relationship between the intermediate voltage Vm and the output data WDMOF shown in FIG. The optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm of the pixel 20 is assumed. In the present embodiment, the intermediate voltage Vm_s at which the intermediate voltage holding charge amount Qc of PG 21 becomes substantially the same as the saturation charge amount Qfd of the FD unit 26 is set as the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm of the pixel 20.

ここで、再度、図11に戻って、ステップS30以降の処理を説明する。ステップS30の後、中間電圧設定部51は、ステップS30で得られた各画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdに基づいて、全ての画素20において、上記式(1)の条件を満たすような最適中間電圧Vmoを決定する(ステップS31)。   Here, returning to FIG. 11 again, the processing after step S30 will be described. After step S30, the intermediate voltage setting unit 51 satisfies the condition of the above expression (1) in all the pixels 20 based on the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm of each pixel 20 obtained in step S30. The optimum intermediate voltage Vmo is determined (step S31).

具体的には、この例では、画素20毎に求められた中間電圧Vmの最適値Vmdの中から、その最大値を選択し、該最大値を中間電圧設定値Vmoとする。このようにして選択された中間電圧設定値Vmoは、全ての画素20において、図13に示す特性の中間電圧Vm_s〜Vm_maxの範囲の値となり、上記式(1)の条件が満たされることになる。この場合、通常の読み出し動作時の完全転送動作において、FD部26で電荷が溢れることは無く、PG21で蓄積された電荷量に対応するデータ(画素信号)を正確に読み出すことができる。   Specifically, in this example, the maximum value is selected from the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm obtained for each pixel 20, and the maximum value is set as the intermediate voltage setting value Vmo. The intermediate voltage setting value Vmo selected in this way becomes a value in the range of the intermediate voltages Vm_s to Vm_max having the characteristics shown in FIG. 13 in all the pixels 20, and the condition of the above expression (1) is satisfied. . In this case, in the complete transfer operation during the normal read operation, the FD unit 26 does not overflow, and the data (pixel signal) corresponding to the charge amount accumulated in the PG 21 can be read accurately.

次いで、中間電圧設定部51は、ステップS31で決定された最適中間電圧Vmoの情報を固体撮像装置40の記憶部41に記録する(ステップS32)。本実施形態では、このようにして、出荷前に、固体撮像装置40の記憶部41に読み出し時の最適中間電圧Vmoを書き込む。   Next, the intermediate voltage setting unit 51 records information on the optimum intermediate voltage Vmo determined in step S31 in the storage unit 41 of the solid-state imaging device 40 (step S32). In this embodiment, in this way, the optimum intermediate voltage Vmo at the time of reading is written in the storage unit 41 of the solid-state imaging device 40 before shipment.

上述のように、本実施形態の固体撮像装置40では、その記憶部41に記憶された最適中間電圧Vmoの値が、全ての画素20において上記式(1)の条件を満たすような値になる。それゆえ、本実施形態では、分割読み出し方式の固体撮像装置40において、上述した転送トランジスタ22の性能バラツキの影響を低減することができ、画像データを正確に再現することができる。   As described above, in the solid-state imaging device 40 of this embodiment, the value of the optimum intermediate voltage Vmo stored in the storage unit 41 is a value that satisfies the condition of the above expression (1) in all the pixels 20. . Therefore, in the present embodiment, in the divided readout type solid-state imaging device 40, the influence of the performance variation of the transfer transistor 22 described above can be reduced, and the image data can be accurately reproduced.

また、本実施形態の固体撮像装置40の記憶部41以外の構成は、上述のように、上記第1の実施形態の固体撮像装置1の対応する構成と同様であるので、本実施形態では、上記第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In addition, since the configuration other than the storage unit 41 of the solid-state imaging device 40 of the present embodiment is the same as the corresponding configuration of the solid-state imaging device 1 of the first embodiment as described above, in the present embodiment, The same effect as the first embodiment can be obtained.

なお、最適中間電圧Vmoの設定手法は、上述した手法に限定されない。図13に示すような、完全転送動作直前におけるPG21の中間電圧保持電荷量Qcに関する情報(出力データWDMOF)と中間電圧Vmとの関係を求めて、該関係に基づいて、最適中間電圧Vmoを求める手法であれば、任意の手法を用いることができる。   Note that the method of setting the optimum intermediate voltage Vmo is not limited to the method described above. As shown in FIG. 13, the relationship between the information (output data WDMOF) regarding the intermediate voltage holding charge amount Qc of the PG 21 immediately before the complete transfer operation and the intermediate voltage Vm is obtained, and the optimum intermediate voltage Vmo is obtained based on the relationship. Any technique can be used.

例えば、本実施形態の最適中間電圧Vmoの設定手法では、中間転送動作(ステップS23)において、アナログCDS処理、AD変換処理(比較処理)及びデジタルCDS処理を行う例を説明したが、本開示はこれに限定されない。上述のように、最適中間電圧Vmoの設定手法の中間転送動作では、出力データを読み出さない。それゆえ、ステップS23の中間転送動作では、PG21の電荷の一部をFD部26に転送した後、アナログCDS処理、AD変換処理(比較処理)及びデジタルCDS処理を行わず、完全転送動作(ステップS24)に移行してもよい。   For example, in the setting method of the optimum intermediate voltage Vmo of this embodiment, an example in which analog CDS processing, AD conversion processing (comparison processing), and digital CDS processing are performed in the intermediate transfer operation (step S23) has been described. It is not limited to this. As described above, the output data is not read in the intermediate transfer operation of the method for setting the optimum intermediate voltage Vmo. Therefore, in the intermediate transfer operation of step S23, after transferring a part of the charge of PG21 to the FD unit 26, the analog CDS processing, AD conversion processing (comparison processing), and digital CDS processing are not performed, and the complete transfer operation (step You may transfer to S24).

また、本実施形態の最適中間電圧Vmoの設定手法では、中間電圧Vmの初期値をその可変領域の最小値(Vm_0)にし(ステップS21)、中間電圧Vmの更新時(ステップS29)には中間電圧Vmを増加させる例を説明したが、本開示はこれに限定されない。中間電圧Vmの初期値をその可変領域の最大値(Vm_max)にし、中間電圧Vmの更新時には中間電圧Vmを減少させるようにしてもよい。   In the setting method of the optimum intermediate voltage Vmo of this embodiment, the initial value of the intermediate voltage Vm is set to the minimum value (Vm_0) of the variable region (step S21), and the intermediate voltage Vm is updated (step S29). Although the example which increases the voltage Vm was demonstrated, this indication is not limited to this. The initial value of the intermediate voltage Vm may be set to the maximum value (Vm_max) of the variable region, and the intermediate voltage Vm may be decreased when the intermediate voltage Vm is updated.

また、本実施形態では、上記式(1)の下限(Qc=Qm)に対応する中間電圧Vm_sを各画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdとする例を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、固体撮像装置40の使用環境の変化等による転送トランジスタ22の性能変化を考慮して、各画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdに予めマージンを含ませてもよい。例えば、環境変化等により想定される転送トランジスタ22の性能変化に対応する分だけ、各画素20の中間電圧Vmの最適値Vmdを、Vm_sより高い値に設定してもよい。また、固体撮像装置40の使用環境の変化等による転送トランジスタ22の性能変化を考慮して、最終的に求められる固体撮像装置1の最適中間電圧Vmoに予めマージンを含ませてもよい。   In the present embodiment, the example in which the intermediate voltage Vm_s corresponding to the lower limit (Qc = Qm) of the above formula (1) is set to the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm of each pixel 20 has been described. It is not limited. For example, a margin may be included in advance in the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm of each pixel 20 in consideration of a change in performance of the transfer transistor 22 due to a change in use environment of the solid-state imaging device 40 or the like. For example, the optimum value Vmd of the intermediate voltage Vm of each pixel 20 may be set to a value higher than Vm_s by the amount corresponding to the performance change of the transfer transistor 22 assumed due to the environmental change or the like. In addition, a margin may be included in advance in the optimum intermediate voltage Vmo of the solid-state imaging device 1 finally obtained in consideration of a change in performance of the transfer transistor 22 due to a change in usage environment of the solid-state imaging device 40 or the like.

さらに、本実施形態では、PG21の中間電圧保持電荷量Qcに関する情報として、完全転送動作時に得られる出力データWDMOFを用いる例を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、完全転送動作時に得られる出力データWDMOFからPG21の中間電圧保持電荷量Qcを算出して、該中間電圧保持電荷量Qcに基づいて、最適中間電圧Vmoを求めてもよい。   Further, in the present embodiment, the example in which the output data WDMOF obtained during the complete transfer operation is used as the information regarding the intermediate voltage holding charge amount Qc of the PG 21 has been described, but the present disclosure is not limited thereto. For example, the intermediate voltage holding charge amount Qc of PG21 may be calculated from the output data WDMOF obtained during the complete transfer operation, and the optimum intermediate voltage Vmo may be obtained based on the intermediate voltage holding charge amount Qc.

<4.第3の実施形態:中間電圧をフィードバック制御する構成>
上記第2の実施形態では、出荷前に予め、最適中間電圧Vmoを測定して、その情報を固体撮像装置40の記憶部41に格納する例を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、固体撮像装置内において、中間電圧Vmを最適制御する構成にしてもよい。第3の実施形態では、その一構成例を説明する。
<4. Third Embodiment: Configuration for Feedback Control of Intermediate Voltage>
In the second embodiment, the example in which the optimal intermediate voltage Vmo is measured in advance before shipment and the information is stored in the storage unit 41 of the solid-state imaging device 40 has been described, but the present disclosure is not limited thereto. For example, the intermediate voltage Vm may be optimally controlled in the solid-state imaging device. In the third embodiment, an example of the configuration will be described.

図14に、本開示の第3の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す。なお、図14は、固体撮像装置全体の概略ブロック構成図である。また、図14に示す本実施形態の固体撮像装置60において、図2に示す上記第1の実施形態の固体撮像装置1と同様の構成には、同じ符号を付して示す。   FIG. 14 illustrates a schematic configuration of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present disclosure. FIG. 14 is a schematic block configuration diagram of the entire solid-state imaging device. Further, in the solid-state imaging device 60 of the present embodiment shown in FIG. 14, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the solid-state imaging device 1 of the first embodiment shown in FIG.

固体撮像装置60は、画素部10と、センサ制御回路11と、垂直走査回路12と、カラム処理部13とを備える。また、固体撮像装置60は、デジタル処理回路14と、参照信号生成回路15と、中間電圧生成回路16と、中間電圧測定用画素部61と、中間電圧最適化回路62とを備える。   The solid-state imaging device 60 includes a pixel unit 10, a sensor control circuit 11, a vertical scanning circuit 12, and a column processing unit 13. The solid-state imaging device 60 includes a digital processing circuit 14, a reference signal generation circuit 15, an intermediate voltage generation circuit 16, an intermediate voltage measurement pixel unit 61, and an intermediate voltage optimization circuit 62.

図14と図2との比較から明らかなように、本実施形態の固体撮像装置60の構成は、上記第1の実施形態の固体撮像装置1の構成において、さらに、中間電圧測定用画素部61及び中間電圧最適化回路62を設けた構成である。それ以外の構成は、上記第1の実施形態の対応する構成と同様である。それゆえ、ここでは、中間電圧測定用画素部61及び中間電圧最適化回路62の構成についてのみ説明する。   As is clear from a comparison between FIG. 14 and FIG. 2, the configuration of the solid-state imaging device 60 of the present embodiment is the same as that of the solid-state imaging device 1 of the first embodiment, but further includes an intermediate voltage measurement pixel unit 61. The intermediate voltage optimizing circuit 62 is provided. The other configuration is the same as the corresponding configuration in the first embodiment. Therefore, only the configuration of the intermediate voltage measurement pixel unit 61 and the intermediate voltage optimization circuit 62 will be described here.

中間電圧測定用画素部61は、中間電圧Vmをフィードバック制御するための専用の画素(不図示)を複数備える。なお、この専用の画素は、通常の読み出し用の画素20と同様の構成を有する。   The intermediate voltage measuring pixel unit 61 includes a plurality of dedicated pixels (not shown) for feedback control of the intermediate voltage Vm. This dedicated pixel has the same configuration as the normal readout pixel 20.

中間電圧最適化回路62は、中間電圧Vmを最適制御する回路である。具体的には、中間電圧最適化回路62は、フィードバック制御用の専用画素における中間電圧保持電荷量Qcに対応する出力データを、デジタル処理回路14を介して取得する。そして、中間電圧最適化回路62は、取得した中間電圧保持電荷量Qcに対応する出力データが所定の期待値となるように、中間電圧Vmをフィードバック制御する。   The intermediate voltage optimization circuit 62 is a circuit that optimally controls the intermediate voltage Vm. Specifically, the intermediate voltage optimization circuit 62 acquires output data corresponding to the intermediate voltage holding charge amount Qc in the dedicated pixel for feedback control via the digital processing circuit 14. Then, the intermediate voltage optimization circuit 62 performs feedback control on the intermediate voltage Vm so that the output data corresponding to the acquired intermediate voltage holding charge amount Qc becomes a predetermined expected value.

なお、固体撮像装置60内において、中間電圧Vmを最適制御する構成は、本開示より以前に、本開示技術の提案者らが出願した特開2010−109677号公報で提案されている。本実施形態では、特開2010−109677号公報で提案した手法と同様にして中間電圧Vmのフィードバック制御を行う。ここでは、その手法の概要を、図15を参照しながら説明する。なお、図15は、中間電圧Vmのフィードバック制御時のデータ及び中間電圧Vmのフロー状態を示す図であり、図15中の白抜き矢印が、制御情報のフローを示し、黒矢印が中間電圧Vmのフローを示す。   Note that the configuration for optimally controlling the intermediate voltage Vm in the solid-state imaging device 60 has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-109677 filed by the proposers of the present disclosure prior to the present disclosure. In the present embodiment, feedback control of the intermediate voltage Vm is performed in the same manner as the method proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2010-109677. Here, an outline of the method will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a diagram illustrating the data during the feedback control of the intermediate voltage Vm and the flow state of the intermediate voltage Vm. The white arrow in FIG. 15 indicates the flow of control information, and the black arrow indicates the intermediate voltage Vm. The flow of is shown.

本実施形態の固体撮像装置60では、まず、中間電圧生成回路16から垂直走査回路12を介して中間電圧測定用画素部61内の所定の画素に、所定の中間電圧Vmが印加される。そして、該画素において、上記第2の実施形態で説明した中間電圧設定動作と同様にして、中間転送動作及び完全転送動作を行い、中間電圧保持電荷量Qcに対応する出力データを測定する。   In the solid-state imaging device 60 of this embodiment, first, a predetermined intermediate voltage Vm is applied from the intermediate voltage generation circuit 16 to a predetermined pixel in the intermediate voltage measurement pixel unit 61 via the vertical scanning circuit 12. In this pixel, the intermediate transfer operation and the complete transfer operation are performed in the same manner as the intermediate voltage setting operation described in the second embodiment, and output data corresponding to the intermediate voltage holding charge amount Qc is measured.

次いで、中間電圧最適化回路62は、上記転送動作で測定された中間電圧保持電荷量Qcに対応する出力データを、デジタル処理回路14を介して取得する。次いで、中間電圧最適化回路62は、取得した中間電圧保持電荷量Qcに対応する出力データと、所定の期待値とを比較する。そして、中間電圧最適化回路62は、その比較結果に基づいて、中間電圧保持電荷量Qcに対応する出力データが所定の期待値に近づくように、中間電圧生成回路16を制御して、中間電圧測定用画素部61内の所定の画素に印加する中間電圧Vmを調整する。   Next, the intermediate voltage optimization circuit 62 acquires output data corresponding to the intermediate voltage holding charge amount Qc measured by the transfer operation via the digital processing circuit 14. Next, the intermediate voltage optimization circuit 62 compares the output data corresponding to the acquired intermediate voltage holding charge amount Qc with a predetermined expected value. Then, based on the comparison result, the intermediate voltage optimization circuit 62 controls the intermediate voltage generation circuit 16 so that the output data corresponding to the intermediate voltage holding charge amount Qc approaches a predetermined expected value. The intermediate voltage Vm applied to a predetermined pixel in the measurement pixel unit 61 is adjusted.

本実施形態では、上述した中間電圧Vmの調整動作を繰り返し行い、中間電圧Vmが最適値(期待値)になるようフィードバック制御する。   In the present embodiment, the above-described adjustment operation of the intermediate voltage Vm is repeatedly performed, and feedback control is performed so that the intermediate voltage Vm becomes an optimum value (expected value).

本実施形態の固体撮像装置60では、出荷後も固体撮像装置60自身で、中間電圧Vmを最適制御することができる。それゆえ、本実施形態では、製造段階で発生する転送トランジスタ22の性能バラツキの影響だけでなく、使用環境の変化等による転送トランジスタ22の性能変化の影響も低減することができる。   In the solid-state imaging device 60 of the present embodiment, the intermediate voltage Vm can be optimally controlled by the solid-state imaging device 60 itself even after shipment. Therefore, in the present embodiment, not only the influence of the performance variation of the transfer transistor 22 that occurs in the manufacturing stage, but also the influence of the performance change of the transfer transistor 22 due to a change in use environment or the like can be reduced.

また、本実施形態の固体撮像装置60の中間電圧測定用画素部61及び中間電圧最適化回路62以外の構成は、上述のように、上記第1の実施形態の固体撮像装置1の対応する構成と同様であるので、本実施形態では、上記第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In addition, the configuration other than the intermediate voltage measurement pixel unit 61 and the intermediate voltage optimization circuit 62 of the solid-state imaging device 60 of the present embodiment corresponds to the configuration of the solid-state imaging device 1 of the first embodiment as described above. Therefore, in this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

<5.各種変形例>
本開示の固体撮像装置の構成は、上記各種実施形態で説明した構成に限定されず、例えば、次のような各種変形例が考えられる。
<5. Various modifications>
The configuration of the solid-state imaging device of the present disclosure is not limited to the configuration described in the above-described various embodiments, and for example, the following various modifications can be considered.

[変形例1]
上記各種実施形態では、固体撮像装置1が表面照射型の固体撮像装置である例を説明したが、本開示はこれに限定されない。上記本開示の技術は、基板の配線層側とは反対側の表面(裏面)から光が照射される裏面照射型の固体撮像装置にも適用可能である。
[Modification 1]
In the various embodiments, the example in which the solid-state imaging device 1 is a surface irradiation type solid-state imaging device has been described, but the present disclosure is not limited thereto. The technique of the present disclosure can also be applied to a back-illuminated solid-state imaging device in which light is irradiated from the surface (back surface) opposite to the wiring layer side of the substrate.

この場合、光がゲート電極を介さず、PGの受光部に入射されるので、上記実施形態のように、PGのゲート電極の膜厚をできる限り薄くしたり、該ゲート電極を透明電極で構成したりする必要が無くなる。   In this case, since the light is incident on the light receiving portion of the PG without passing through the gate electrode, the thickness of the gate electrode of the PG is made as thin as possible as in the above embodiment, or the gate electrode is configured with a transparent electrode. There is no need to do.

[変形例2]
上記各種実施形態では、画素信号の読み出し時の信号処理の方式として、デュアルノイズキャンセリング方式を用いる例を説明したが、本開示はこれに限定されない。アナログCDS処理及びデジタルCDS処理の一方を実施する方式の固体撮像装置にも上記本開示技術は適用可能であり、同様の効果が得られる。
[Modification 2]
In the various embodiments described above, an example in which the dual noise canceling method is used as the signal processing method at the time of reading the pixel signal has been described, but the present disclosure is not limited thereto. The technique of the present disclosure can be applied to a solid-state imaging device that performs one of analog CDS processing and digital CDS processing, and similar effects can be obtained.

[変形例3]
上記各種実施形態では、完全転送時に、PG21のゲート電極の電位を接地レベルにする例を説明したが、本開示はこれに限定されない。完全転送時において、PG21のゲート領域のポテンシャルの底の位置が、転送トランジスタ22のポテンシャル障壁の高さ位置又はそれより高い位置になるような電位であれば任意の電位に設定することができる。すなわち、中間転送後にPG21に残っている全電荷を、完全転送時にFD部26に転送することができるような電位であれば、完全転送時におけるPG21のゲート電極の電位を任意の電位に設定することができる。
[Modification 3]
In the above-described various embodiments, the example in which the potential of the gate electrode of PG21 is set to the ground level during complete transfer has been described, but the present disclosure is not limited to this. At the time of complete transfer, any potential can be set as long as the bottom position of the potential of the gate region of PG 21 is a height position of the potential barrier of the transfer transistor 22 or a higher position. That is, the potential of the gate electrode of PG21 at the time of complete transfer is set to an arbitrary potential as long as all charges remaining in PG21 after the intermediate transfer can be transferred to the FD unit 26 at the time of complete transfer. be able to.

例えば、完全転送時に、PG21のゲート電極に小さな正電位を印加してもよいし、PG21のゲート電極に負電位を印加してもよい。   For example, at the time of complete transfer, a small positive potential may be applied to the gate electrode of PG21, or a negative potential may be applied to the gate electrode of PG21.

完全転送時にPG21のゲート電極に負電位を印加した場合、完全転送時におけるPG21のゲート領域のポテンシャル深さをより浅くすることができ、中間転送後にPG21に残っている全電荷を、より確実に、完全転送時にFD部26に転送することができる。すなわち、この場合には、より確実に、画素信号を読み出すことができる。なお、この場合には、PG21のゲート電極に負電位を印加するための負電圧生成回路を、固体撮像装置内に別途設ける必要がある。   When a negative potential is applied to the gate electrode of PG21 at the time of complete transfer, the potential depth of the gate region of PG21 at the time of complete transfer can be made shallower, and all charges remaining in PG21 after intermediate transfer can be more reliably The data can be transferred to the FD unit 26 during complete transfer. That is, in this case, the pixel signal can be read more reliably. In this case, it is necessary to separately provide a negative voltage generation circuit for applying a negative potential to the gate electrode of PG21 in the solid-state imaging device.

[変形例4]
上記各種実施形態の固体撮像装置の構成において、ブランキング期間中は、各画素20内の転送トランジスタ22のゲート電位を負電位に設定してもよい。この場合には、例えば、転送トランジスタ22から発生するノイズの影響を低減することができる。なお、この場合も、上記変形例3と同様に、転送トランジスタ22のゲートに負電圧を印加するための負電圧生成回路を、固体撮像装置内に別途設ける必要がある。
[Modification 4]
In the configuration of the solid-state imaging device of the various embodiments, the gate potential of the transfer transistor 22 in each pixel 20 may be set to a negative potential during the blanking period. In this case, for example, the influence of noise generated from the transfer transistor 22 can be reduced. In this case as well, as in Modification 3, it is necessary to separately provide a negative voltage generation circuit for applying a negative voltage to the gate of the transfer transistor 22 in the solid-state imaging device.

[変形例5]
上記本開示の技術は、画素部内の画素を行単位で順次走査して、各画素から画素信号を読み出す固体撮像装置だけでなく、画素部内の任意の画素を選択した、該画素から画素信号を読み出すX−Yアドレス方の固体撮像装置にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した固体撮像装置は、それ自身がワンチップで構成されていてもよいし、信号処理回路や光学系などと一体的にパッケージされた撮像モジュールとして構成されていてもよい。
[Modification 5]
The technique of the present disclosure described above selects not only the solid-state imaging device that sequentially scans the pixels in the pixel unit in units of rows and reads out the pixel signal from each pixel, but also selects any pixel in the pixel unit. The present invention can also be applied to a solid-state imaging device that reads XY addresses. In addition, the solid-state imaging device described in the above embodiment may be configured as a single chip, or may be configured as an imaging module packaged integrally with a signal processing circuit, an optical system, or the like. .

<6.電子機器(応用例)の構成>
本開示に係る固体撮像装置は、各種電子機器に適用可能である。例えば、上記各種実施形態及び各種変形例で説明した固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のカメラシステム、撮像機能を有する携帯電話、又は、撮像機能を備えた他の機器などの電子機器に適用することができる。ここでは、電子機器の一構成例として、デジタルビデオカメラを例に挙げ説明する。
<6. Configuration of electronic device (application example)>
The solid-state imaging device according to the present disclosure can be applied to various electronic devices. For example, the solid-state imaging device described in the above-described various embodiments and various modifications is an electronic device such as a camera system such as a digital still camera or a digital video camera, a mobile phone having an imaging function, or another device having an imaging function. It can be applied to equipment. Here, a digital video camera will be described as an example of the configuration of the electronic device.

図16に、上記実施形態で説明した固体撮像装置を適用したデジタルビデオカメラ(以下では、単にカメラという)の概略構成を示す。   FIG. 16 shows a schematic configuration of a digital video camera (hereinafter simply referred to as a camera) to which the solid-state imaging device described in the above embodiment is applied.

カメラ100は、固体撮像装置101と、固体撮像装置101の受光部(不図示)に入射光を導く光学系102と、固体撮像装置101及び光学系102間に設けられたシャッタ装置103と、固体撮像装置101を駆動する駆動回路104とを備える。さらに、カメラ100は、固体撮像装置101の出力信号を処理する信号処理回路105を備える。   The camera 100 includes a solid-state imaging device 101, an optical system 102 that guides incident light to a light receiving unit (not shown) of the solid-state imaging device 101, a shutter device 103 provided between the solid-state imaging device 101 and the optical system 102, And a drive circuit 104 that drives the imaging apparatus 101. The camera 100 further includes a signal processing circuit 105 that processes an output signal of the solid-state imaging device 101.

固体撮像装置101は、分割読み出し方式の固体撮像装置であり、例えば、上記各種実施形態及び各種変形例のいずれかで説明した固体撮像装置で構成することができる。その他の各部の構成及び機能は次の通りである。   The solid-state imaging device 101 is a divided readout type solid-state imaging device, and can be configured by, for example, the solid-state imaging device described in any of the above-described various embodiments and various modifications. Configurations and functions of other parts are as follows.

光学系(光学レンズ)102は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置101の撮像面(不図示)上に結像させる。これにより、固体撮像装置101内に、一定期間、信号電荷が蓄積される。なお、光学系102は、複数の光学レンズを含む光学レンズ群で構成してもよい。また、シャッタ装置103は、固体撮像装置101に光が入射される期間(光照射期間)、及び、固体撮像装置101に入射される光を遮蔽する期間(遮光期間)を制御する。   The optical system (optical lens) 102 forms image light (incident light) from a subject on an imaging surface (not shown) of the solid-state imaging device 101. Thereby, signal charges are accumulated in the solid-state imaging device 101 for a certain period. The optical system 102 may be configured by an optical lens group including a plurality of optical lenses. Further, the shutter device 103 controls a period during which light is incident on the solid-state imaging device 101 (light irradiation period) and a period during which light incident on the solid-state imaging device 101 is shielded (light-shielding period).

駆動回路104は、固体撮像装置101及びシャッタ装置103に駆動信号を供給する。そして、駆動回路104は、供給した駆動信号により、固体撮像装置101の信号処理回路105への信号転送動作、及び、シャッタ装置103のシャッタ動作を制御する。すなわち、この例では、駆動回路104から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置101から信号処理回路105への信号転送動作を行う。   The drive circuit 104 supplies drive signals to the solid-state imaging device 101 and the shutter device 103. Then, the drive circuit 104 controls the signal transfer operation to the signal processing circuit 105 of the solid-state imaging device 101 and the shutter operation of the shutter device 103 by the supplied drive signal. That is, in this example, a signal transfer operation from the solid-state imaging device 101 to the signal processing circuit 105 is performed by a drive signal (timing signal) supplied from the drive circuit 104.

信号処理回路105は、固体撮像装置101から転送された信号に対して、各種信号処理を施す。そして、各種信号処理が施された信号(映像信号)は、メモリなどの記憶媒体(不図示)に記憶される、又は、モニタ(不図示)に出力される。   The signal processing circuit 105 performs various signal processing on the signal transferred from the solid-state imaging device 101. The signal (video signal) that has been subjected to various signal processing is stored in a storage medium (not shown) such as a memory, or is output to a monitor (not shown).

本実施形態のカメラ100では、上記各種実施形態又は各種変形例で説明した固体撮像装置を用いるので、上述した転送トランジスタ22の性能バラツキによる読み出し性能への影響を低減することができ、高画質の撮像が可能になる。   In the camera 100 of this embodiment, since the solid-state imaging device described in the above various embodiments or various modifications is used, the influence on the readout performance due to the performance variation of the transfer transistor 22 described above can be reduced, and high image quality can be achieved. Imaging becomes possible.

なお、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
(1)
フォトゲート、電荷電圧変換部、及び、該フォトゲートに蓄積された信号電荷を該電荷電圧変換部に転送する転送トランジスタを含む画素を複数有する画素部と、
前記フォトゲートに蓄積された信号電荷を所定回数の中間転送動作及び完全転送動作により読み出す際の該中間転送動作において、前記転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧を生成するとともに、該中間電圧を前記フォトゲートの駆動電圧として前記フォトゲートのゲート電極に印加する中間電圧生成回路と
を備える固体撮像装置。
(2)
さらに、前記画素から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換回路と、
前記デジタルアナログ変換回路の後段に設けられ、前記中間転送動作時に前記アナログデジタル変換回路で変換された第1デジタル出力データ、及び、前記完全転送動作時に前記アナログデジタル変換回路で変換された第2デジタル出力データを取得し、該第1デジタル出力データ及び該第2デジタル出力データに対して加算処理又は非加算処理を行うデジタル加算/非加算回路とを備える
(1)に記載の固体撮像装置。
(3)
前記デジタル加算/非加算回路は、前記第1デジタル出力データが所定の上限閾値より大きい場合には、前記第1デジタル出力データにフルカウント値を加算して出力する
(2)に記載の固体撮像装置。
(4)
前記デジタル加算/非加算回路は、前記第1デジタル出力データ及び前記第1デジタル出力データの少なくとも一方が所定の下限閾値より小さい場合には、前記第1デジタル出力データと前記第1デジタル出力データとを加算せずに、前記第2デジタル出力データを出力する
(2)又は(3)に記載の固体撮像装置。
(5)
さらに、前記アナログデジタル変換回路の前段に設けられ、前記中間転送動作時に前記画素から出力された第1アナログ出力データ、及び、前記完全転送動作時に前記画素から出力された第2アナログ出力データを取得し、該第1アナログ出力データ及び該第2アナログ出力データに対して加算処理又は非加算処理を行うアナログ加算/非加算回路を備える
(2)〜(4)のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
(6)
さらに、前記中間転送動作時に前記転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧の最適値の情報が格納されている記憶部を備える
(1)〜(5)のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
(7)
さらに、前記中間転送動作時に前記転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧の最適値を求めるための画素を複数含む中間電圧測定用画素部と、
前記中間電圧測定用画素部内の前記画素の出力データに基づいて、前記中間電圧がその最適値になるようにフィードバック制御する中間電圧最適化回路とを備える
(1)〜(6)のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
(8)
ブランキング期間に前記転送トランジスタのゲートに印加される電圧が、負電圧である
(1)〜(7)のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
(9)
前記フォトゲートのゲート電極が、前記フォトゲートの光入射面とは反対側の面に設けられている
(1)〜(8)のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
(10)
フォトゲート、電荷電圧変換部、及び、該フォトゲートに蓄積された信号電荷を該電荷電圧変換部に転送する転送トランジスタを含む画素を複数有する画素部と、前記フォトゲートに蓄積された信号電荷を所定回数の中間転送動作及び完全転送動作により読み出す際の該中間転送動作において、前記転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧を生成するとともに、該中間電圧を前記フォトゲートの駆動電圧として前記フォトゲートのゲート電極に印加する中間電圧生成回路とを有する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力信号に対して所定の処理を施す信号処理回路と
を備える電子機器。
In addition, this indication can also take the following structures.
(1)
A pixel unit having a plurality of pixels including a photogate, a charge-voltage conversion unit, and a transfer transistor that transfers signal charges accumulated in the photogate to the charge-voltage conversion unit;
In the intermediate transfer operation when the signal charge accumulated in the photogate is read by a predetermined number of intermediate transfer operations and complete transfer operations, an intermediate voltage to be applied to the gate of the transfer transistor is generated, and the intermediate voltage is A solid-state imaging device comprising: an intermediate voltage generation circuit that is applied to a gate electrode of the photogate as a drive voltage for the photogate.
(2)
Furthermore, an analog-digital conversion circuit that converts an analog signal output from the pixel into a digital signal;
First digital output data provided at a subsequent stage of the digital-analog conversion circuit and converted by the analog-digital conversion circuit during the intermediate transfer operation, and second digital data converted by the analog-digital conversion circuit during the complete transfer operation The solid-state imaging device according to (1), further comprising: a digital addition / non-addition circuit that acquires output data and performs addition processing or non-addition processing on the first digital output data and the second digital output data.
(3)
The digital addition / non-addition circuit adds a full count value to the first digital output data and outputs the first digital output data when the first digital output data is larger than a predetermined upper limit threshold value. .
(4)
When at least one of the first digital output data and the first digital output data is smaller than a predetermined lower threshold value, the digital addition / non-addition circuit includes the first digital output data and the first digital output data. The solid-state imaging device according to (2) or (3), wherein the second digital output data is output without adding.
(5)
Further, the first analog output data output from the pixel during the intermediate transfer operation and the second analog output data output from the pixel during the complete transfer operation are provided in a stage preceding the analog-digital conversion circuit. And an analog addition / non-addition circuit that performs addition processing or non-addition processing on the first analog output data and the second analog output data. (2) to (4) Imaging device.
(6)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (5), further including a storage unit that stores information on an optimum value of an intermediate voltage applied to a gate of the transfer transistor during the intermediate transfer operation.
(7)
Furthermore, an intermediate voltage measurement pixel unit including a plurality of pixels for obtaining an optimum value of the intermediate voltage applied to the gate of the transfer transistor during the intermediate transfer operation;
An intermediate voltage optimization circuit that performs feedback control based on output data of the pixel in the intermediate voltage measurement pixel unit so that the intermediate voltage becomes the optimum value. The solid-state imaging device according to item.
(8)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (7), wherein the voltage applied to the gate of the transfer transistor during the blanking period is a negative voltage.
(9)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (8), wherein a gate electrode of the photogate is provided on a surface opposite to a light incident surface of the photogate.
(10)
A pixel portion having a plurality of pixels including a photogate, a charge-voltage converter, and a transfer transistor that transfers the signal charge accumulated in the photogate to the charge-voltage converter; and the signal charge accumulated in the photogate In the intermediate transfer operation at the time of reading by a predetermined number of intermediate transfer operations and complete transfer operations, an intermediate voltage to be applied to the gate of the transfer transistor is generated, and the intermediate voltage is used as a drive voltage for the photogate. A solid-state imaging device having an intermediate voltage generation circuit to be applied to the gate electrode;
An electronic apparatus comprising: a signal processing circuit that performs predetermined processing on an output signal of the solid-state imaging device.

1,40,60…固体撮像装置、10…画素部、11…センサ制御回路、12…垂直走査回路、13…カラム処理部、14…デジタル処理回路、15…参照信号生成回路、16…中間信号生成回路、20…画素、21…フォトゲート(PG)、22…転送トランジスタ、23…増幅トランジスタ、24…リセットトランジスタ、25…選択トランジスタ、26…フローティングディフュージョン(FD)部、30…単位回路、31…アナログCDS回路、41…記憶部、50…検査機器、51…中間電圧設定部、61…中間電圧測定用画素部、62…中間電圧最適化回路   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,40,60 ... Solid-state imaging device, 10 ... Pixel part, 11 ... Sensor control circuit, 12 ... Vertical scanning circuit, 13 ... Column processing part, 14 ... Digital processing circuit, 15 ... Reference signal generation circuit, 16 ... Intermediate signal Generation circuit, 20... Pixel, 21... Photogate (PG), 22... Transfer transistor, 23... Amplification transistor, 24 .. reset transistor, 25 .. selection transistor, 26 ... floating diffusion (FD) section, 30. DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Analog CDS circuit, 41 ... Memory | storage part, 50 ... Inspection apparatus, 51 ... Intermediate voltage setting part, 61 ... Pixel part for intermediate voltage measurement, 62 ... Intermediate voltage optimization circuit

Claims (10)

フォトゲート、電荷電圧変換部、及び、該フォトゲートに蓄積された信号電荷を該電荷電圧変換部に転送する転送トランジスタを含む画素を複数有する画素部と、
前記フォトゲートに蓄積された信号電荷を所定回数の中間転送動作及び完全転送動作により読み出す際の該中間転送動作において、前記転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧を生成するとともに、該中間電圧を前記フォトゲートの駆動電圧として前記フォトゲートのゲート電極に印加する中間電圧生成回路と
を備える固体撮像装置。
A pixel unit having a plurality of pixels including a photogate, a charge-voltage conversion unit, and a transfer transistor that transfers signal charges accumulated in the photogate to the charge-voltage conversion unit;
In the intermediate transfer operation when the signal charge accumulated in the photogate is read by a predetermined number of intermediate transfer operations and complete transfer operations, an intermediate voltage to be applied to the gate of the transfer transistor is generated, and the intermediate voltage is A solid-state imaging device comprising: an intermediate voltage generation circuit that applies a photogate drive voltage to the gate electrode of the photogate.
さらに、前記画素から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換回路と、
前記デジタルアナログ変換回路の後段に設けられ、前記中間転送動作時に前記アナログデジタル変換回路で変換された第1デジタル出力データ、及び、前記完全転送動作時に前記アナログデジタル変換回路で変換された第2デジタル出力データを取得し、該第1デジタル出力データ及び該第2デジタル出力データに対して加算処理又は非加算処理を行うデジタル加算/非加算回路とを備える
請求項1に記載の固体撮像装置。
Furthermore, an analog-digital conversion circuit that converts an analog signal output from the pixel into a digital signal;
First digital output data provided at a subsequent stage of the digital-analog conversion circuit and converted by the analog-digital conversion circuit during the intermediate transfer operation, and second digital data converted by the analog-digital conversion circuit during the complete transfer operation The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a digital addition / non-addition circuit that acquires output data and performs addition processing or non-addition processing on the first digital output data and the second digital output data.
前記デジタル加算/非加算回路は、前記第1デジタル出力データが所定の上限閾値より大きい場合には、前記第1デジタル出力データにフルカウント値を加算して出力する
請求項2に記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the digital addition / non-addition circuit adds a full count value to the first digital output data when the first digital output data is greater than a predetermined upper limit threshold value. .
前記デジタル加算/非加算回路は、前記第1デジタル出力データ及び前記第1デジタル出力データの少なくとも一方が所定の下限閾値より小さい場合には、前記第1デジタル出力データと前記第1デジタル出力データとを加算せずに、前記第2デジタル出力データを出力する
請求項2に記載の固体撮像装置。
When at least one of the first digital output data and the first digital output data is smaller than a predetermined lower threshold value, the digital addition / non-addition circuit includes the first digital output data and the first digital output data. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the second digital output data is output without adding.
さらに、前記アナログデジタル変換回路の前段に設けられ、前記中間転送動作時に前記画素から出力された第1アナログ出力データ、及び、前記完全転送動作時に前記画素から出力された第2アナログ出力データを取得し、該第1アナログ出力データ及び該第2アナログ出力データに対して加算処理又は非加算処理を行うアナログ加算/非加算回路を備える
請求項2に記載の固体撮像装置。
Further, the first analog output data output from the pixel during the intermediate transfer operation and the second analog output data output from the pixel during the complete transfer operation are provided in a stage preceding the analog-digital conversion circuit. The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising an analog addition / non-addition circuit that performs addition processing or non-addition processing on the first analog output data and the second analog output data.
さらに、前記中間転送動作時に前記転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧の最適値の情報が格納されている記憶部を備える
請求項1に記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a storage unit storing information on an optimum value of an intermediate voltage applied to a gate of the transfer transistor during the intermediate transfer operation.
さらに、前記中間転送動作時に前記転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧の最適値を求めるための画素を複数含む中間電圧測定用画素部と、
前記中間電圧測定用画素部内の前記画素の出力データに基づいて、前記中間電圧がその最適値になるようにフィードバック制御する中間電圧最適化回路とを備える
請求項1に記載の固体撮像装置。
Furthermore, an intermediate voltage measurement pixel unit including a plurality of pixels for obtaining an optimum value of the intermediate voltage applied to the gate of the transfer transistor during the intermediate transfer operation;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: an intermediate voltage optimization circuit that performs feedback control so that the intermediate voltage becomes an optimum value based on output data of the pixel in the intermediate voltage measurement pixel unit.
ブランキング期間に前記転送トランジスタのゲートに印加される電圧が、負電圧である
請求項1に記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a voltage applied to the gate of the transfer transistor during a blanking period is a negative voltage.
前記フォトゲートのゲート電極が、前記フォトゲートの光入射面とは反対側の面に設けられている
請求項1に記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a gate electrode of the photogate is provided on a surface opposite to a light incident surface of the photogate.
フォトゲート、電荷電圧変換部、及び、該フォトゲートに蓄積された信号電荷を該電荷電圧変換部に転送する転送トランジスタを含む画素を複数有する画素部と、前記フォトゲートに蓄積された信号電荷を所定回数の中間転送動作及び完全転送動作により読み出す際の該中間転送動作において、前記転送トランジスタのゲートに印加する中間電圧を生成するとともに、該中間電圧を前記フォトゲートの駆動電圧として前記フォトゲートのゲート電極に印加する中間電圧生成回路とを有する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の出力信号に対して所定の処理を施す信号処理回路と
を備える電子機器。

A pixel portion having a plurality of pixels including a photogate, a charge-voltage converter, and a transfer transistor that transfers the signal charge accumulated in the photogate to the charge-voltage converter; and the signal charge accumulated in the photogate In the intermediate transfer operation at the time of reading by a predetermined number of intermediate transfer operations and complete transfer operations, an intermediate voltage to be applied to the gate of the transfer transistor is generated, and the intermediate voltage is used as a drive voltage for the photogate. A solid-state imaging device having an intermediate voltage generation circuit to be applied to the gate electrode;
An electronic apparatus comprising: a signal processing circuit that performs predetermined processing on an output signal of the solid-state imaging device.

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