JP2014078870A - Solid-state imaging element and imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To appropriately remove reset kTC noise during reading in a solid-state imaging element.SOLUTION: A reading circuit includes: a first amplifier circuit 12 which is electrically connected to a pixel electrode 104 for collecting a signal charge generated in a photoelectric conversion layer 107; a charge accumulating section Cp arranged in an input terminal of the first amplifier circuit 12; a second amplifier circuit 15 whose input terminal is electrically connected to an output terminal of the first amplifier circuit 12; an accumulation switch transistor 13 which is electrically connected to the input terminal of the second amplifier circuit 15; a capacitance section 14 which is electrically connected to the accumulation switch transistor 13; a writing transistor 18 installed between the first amplifier circuit 12 and a first amplifier circuit driving current source 19; and a reset transistor 17 which is electrically connected to the pixel electrode 104.

Description

本発明は、光の照射を受けて電荷を発生する光電変換部を備えた固体撮像素子およびその固体撮像素子を備えた撮像装置に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device including a photoelectric conversion unit that generates charges when irradiated with light, and an imaging apparatus including the solid-state imaging device.

近年、ビデオカメラやデジタルカメラなどが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが用いられるが、高速駆動が可能などの観点から、CCDに変えてCMOSイメージセンサが主流となってきている。   In recent years, video cameras, digital cameras, and the like are widely used. For these cameras, a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor is used, but a CMOS image sensor is becoming the mainstream instead of a CCD from any viewpoint capable of high-speed driving. .

また、最近では画素数増加のために一画素あたりの面積が縮小し、受光部の面積が減少することによる感度の低下が大きな問題となっている。この問題を解決する固体撮像素子として、受光部に有機光電変換膜を用いた有機CMOSセンサが提案されている(たとえば特許文献1参照)。この有機CMOSセンサは読み出し回路の上方に受光部である有機光電変換膜を設け、これらを金属配線で電気的につないだ構造である。画素サイズが縮小しても受光部の面積を大きく取れるため、感度が高い。   Recently, the area per pixel is reduced due to the increase in the number of pixels, and the reduction in sensitivity due to the reduction in the area of the light receiving portion has become a serious problem. As a solid-state imaging device that solves this problem, an organic CMOS sensor using an organic photoelectric conversion film in a light receiving portion has been proposed (for example, see Patent Document 1). This organic CMOS sensor has a structure in which an organic photoelectric conversion film as a light receiving portion is provided above a readout circuit and these are electrically connected by metal wiring. Even if the pixel size is reduced, the area of the light receiving portion can be increased, so that the sensitivity is high.

有機CMOSセンサも含めて、これらのCMOSイメージセンサにおいて用いられる画素部の読出回路には、3つのトランジスタを用いた読出回路(以下、3Tr読出回路という)と4つのトランジスタを用いた読出回路(以下、4Tr読出回路という)のいずれかが用いられるのが一般的である。これらの回路について説明する。   The readout circuit of the pixel portion used in these CMOS image sensors, including the organic CMOS sensor, is a readout circuit using three transistors (hereinafter referred to as a 3Tr readout circuit) and a readout circuit using four transistors (hereinafter referred to as a “transistor”). Generally, any one of 4Tr readout circuits) is used. These circuits will be described.

特許文献1には、3Tr読出回路が提案されている。この回路は受光部とフローティングディフュージョンノードFDが電気的に直接つながっており、FDをリセットするようにリセットトランジスタが設けられている。この構造では受光部からの電荷転送を行わないため、受光部が完全空乏化されていない場合にも、転送ノイズや残像などの問題が発生しないなどのメリットがある。   Patent Document 1 proposes a 3Tr readout circuit. In this circuit, the light receiving unit and the floating diffusion node FD are electrically connected directly, and a reset transistor is provided so as to reset the FD. Since this structure does not transfer charges from the light receiving portion, there is an advantage that problems such as transfer noise and afterimage do not occur even when the light receiving portion is not completely depleted.

しかしながら、この3Tr読出回路は、一般的に、リセット時に発生するリセットkTCノイズを除去することができない問題がある。   However, this 3Tr readout circuit generally has a problem that it cannot remove the reset kTC noise generated at the time of resetting.

その理由は、3Tr読出回路においては、まず露光により発生した電荷をFDに蓄積した状態で信号読み出しが行われ、その後、FDをリセットした状態での信号読み出しが行われ、それぞれの信号読み出しによって取得された信号の差分が取得される。この場合、露光前のリセット時の信号と上述した露光後のリセット時の信号とのそれぞれに時間的にランダムなリセットkTCノイズが発生してしまうからである。すなわち、FDに蓄積された電荷信号には、露光前のリセット時におけるリセットkTCノイズが含まれているが、このリセットkTCノイズと、露光後のリセット時に読み出した信号に含まれるリセットkTCノイズに相関がないため、これらを減算しても露光前のリセット時におけるリセットkTCノイズを除去することができない。   The reason is that, in the 3Tr readout circuit, first, signal readout is performed in a state where charges generated by exposure are accumulated in the FD, and then signal readout is performed in a state where the FD is reset. The difference between the obtained signals is obtained. In this case, reset kTC noise that is temporally random is generated in each of the reset signal before exposure and the reset signal after exposure described above. That is, the charge signal accumulated in the FD includes reset kTC noise at the time of reset before exposure, and this reset kTC noise is correlated with the reset kTC noise included in the signal read at the time of reset after exposure. Therefore, even if these are subtracted, the reset kTC noise at the time of reset before exposure cannot be removed.

また、読出回路としては、上述したような3Tr読出回路だけでなく、4Tr読出回路も提案されている。   As the readout circuit, not only the 3Tr readout circuit as described above but also a 4Tr readout circuit has been proposed.

4Tr読出回路は受光部とフローティングディフュージョンノードFDの間に転送トランジスタを設けた構造である。リセットトランジスタはFDをリセットするように設けられている。この4Tr読出回路においては、3Tr読出回路では除去できないリセットkTCノイズも除去することできる。その理由は、4Tr読出回路の構成では、受光部に蓄積された電荷信号の読み出しの前に、まず、FDをリセットしてそのリセット時の信号を読み出し、その後、転送トランジスタをオンにして露光により生じた電荷信号を受光部からFDへ転送し、その転送後の電荷信号を読み出すという制御により、1回のリセット後に続けてそのリセット時の信号読出しおよび転送された電荷信号の読出しが行われるためである。したがって、これらを減算すればリセットkTCノイズを除去することができる。   The 4Tr readout circuit has a structure in which a transfer transistor is provided between the light receiving unit and the floating diffusion node FD. The reset transistor is provided to reset the FD. In this 4Tr readout circuit, reset kTC noise that cannot be removed by the 3Tr readout circuit can also be removed. The reason is that, in the configuration of the 4Tr readout circuit, before reading out the charge signal accumulated in the light receiving unit, first, the FD is reset and the signal at the time of resetting is read out, and then the transfer transistor is turned on by exposure. Since the generated charge signal is transferred from the light receiving unit to the FD, and the charge signal after the transfer is read, the signal is read at the time of reset and the transferred charge signal is read after one reset. It is. Therefore, the reset kTC noise can be removed by subtracting them.

しかし、4Tr読出回路は受光部からFDへ全ての信号電荷を完全転送できないと不完全転送ノイズや残像の問題が発生する。このため、4Tr読出回路においては受光部が完全空乏化されていることが必要である。   However, if the 4Tr readout circuit cannot completely transfer all signal charges from the light receiving unit to the FD, problems such as incomplete transfer noise and afterimage occur. For this reason, in the 4Tr readout circuit, it is necessary that the light receiving portion is completely depleted.

特開2011−228621号公報JP 2011-228621 A

しかしながら、有機CMOSセンサのような積層型固体撮像素子においては受光部と信号読み出し回路を金属配線で接続するため、受光部を完全空乏化することができない。このため、上述した4Tr読出回路を適用することができず、リセットkTCノイズが発生する。   However, in a stacked solid-state imaging device such as an organic CMOS sensor, since the light receiving unit and the signal readout circuit are connected by metal wiring, the light receiving unit cannot be completely depleted. For this reason, the 4Tr readout circuit described above cannot be applied, and reset kTC noise occurs.

本発明は、上記の事情に鑑み、上述したリセットkTCノイズを適切に除去することができる固体撮像素子およびその固体撮像素子を備えた撮像装置を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of appropriately removing the above-described reset kTC noise and an imaging device including the solid-state imaging device.

本発明の固体撮像素子は、入射光の光量に応じた信号電荷を発生する光電変換層と、光電変換層において発生した信号電荷を捕集する画素電極と、画素電極に電気的に接続された第1の増幅回路、第1の増幅回路の入力端子に設けられた電荷蓄積部、第1の増幅回路の出力端子に対して入力端子が電気的に接続された第2の増幅回路、第2の増幅回路の入力端子に電気的に接続された第1のスイッチ素子、第1のスイッチ素子に電気的に接続された容量部、第1の増幅回路と第1の増幅回路駆動用電流源との間に設けられた第2のスイッチ素子および画素電極に電気的に接続されたリセット回路を含む読出回路とを備えた画素部が2次元状に複数配列されていることを特徴とする。   The solid-state imaging device of the present invention is electrically connected to a photoelectric conversion layer that generates a signal charge corresponding to the amount of incident light, a pixel electrode that collects the signal charge generated in the photoelectric conversion layer, and the pixel electrode. A first amplifier circuit; a charge storage section provided at an input terminal of the first amplifier circuit; a second amplifier circuit whose input terminal is electrically connected to an output terminal of the first amplifier circuit; A first switch element electrically connected to an input terminal of the amplifier circuit, a capacitor part electrically connected to the first switch element, a first amplifier circuit, and a first amplifier circuit driving current source, A plurality of pixel portions each including a second switch element provided between and a readout circuit including a reset circuit electrically connected to the pixel electrode are two-dimensionally arranged.

また、上記本発明の固体撮像素子においては、電荷蓄積部の容量よりも容量部の容量の方を大きくすることができる。   Further, in the solid-state imaging device of the present invention, the capacity of the capacitor part can be made larger than the capacity of the charge storage part.

また、第1の増幅回路を、第2のスイッチ素子がオンした場合のみ動作するものとできる。   Further, the first amplifier circuit can be operated only when the second switch element is turned on.

また、第1の増幅回路および第2の増幅回路をソースフォロワ回路で構成することができる。   In addition, the first amplifier circuit and the second amplifier circuit can be configured by a source follower circuit.

また、第1の増幅回路駆動用電流源を、画素部の列毎に設けることができる。   In addition, a first amplifier circuit driving current source can be provided for each column of the pixel portion.

また、容量部を、MOS(Metal Oxide Semiconductor)キャパシタ、MIM(Metal-Insulator-Metal)キャパシタまたはPIP(Poly-Insulator-Poly)キャパシタで形成することができる。   Further, the capacitor portion can be formed of a MOS (Metal Oxide Semiconductor) capacitor, an MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitor, or a PIP (Poly-Insulator-Poly) capacitor.

また、リセット回路によってリセット動作を行った後、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子をオンすることによって容量部にリセット電位を蓄積し、その後、電荷蓄積部に信号電荷を蓄積した後、第1のスイッチ素子をオンすることによって容量部に蓄積されたリセット電位に応じたリセット信号を第2の増幅回路を介して読み出し、その後、第2のスイッチ素子をさらにオンすることによって電荷蓄積部に蓄積された信号電荷に応じた蓄積信号を第2の増幅回路を介して読み出すように制御する制御部を設けることができる。   In addition, after performing the reset operation by the reset circuit, the reset potential is accumulated in the capacitor portion by turning on the first switch element and the second switch element, and then the signal charge is accumulated in the charge accumulation portion. By turning on the first switch element, a reset signal corresponding to the reset potential stored in the capacitor unit is read out through the second amplifier circuit, and then the second switch element is further turned on to further charge the charge storage unit. A control unit can be provided for controlling to read out an accumulated signal corresponding to the signal charge accumulated in the second amplifier circuit via the second amplifier circuit.

また、制御部によって読み出された蓄積信号からリセット信号を減算することによって画素信号を取得する信号処理部を設けることができる。   Further, it is possible to provide a signal processing unit that acquires a pixel signal by subtracting the reset signal from the accumulated signal read by the control unit.

また、第2の増幅回路の出力端子が電気的に接続される信号線に対して設けられた第2の増幅回路駆動用電流源の電流値よりも第1の増幅回路駆動用電流源の電流値の方を小さくすることができる。   Further, the current of the first amplifier circuit driving current source is larger than the current value of the second amplifier circuit driving current source provided for the signal line to which the output terminal of the second amplifier circuit is electrically connected. The value can be made smaller.

また、上記信号電荷を正孔とし、読出回路をnMOSで構成することができる。   Further, the signal charge can be a hole, and the readout circuit can be constituted by an nMOS.

また、光電変換層を、有機光電変換膜を含むものとできる。   Further, the photoelectric conversion layer can include an organic photoelectric conversion film.

また、有機光電変換膜を、全ての画素部について共通なものとできる。   Further, the organic photoelectric conversion film can be common to all the pixel portions.

本発明の撮像装置は、上記本発明の固体撮像素子を備えたことを特徴とする。   An imaging apparatus according to the present invention includes the solid-state imaging device according to the present invention.

本発明の固体撮像素子および撮像装置によれば、読出回路を、画素電極に電気的に接続された第1の増幅回路と、第1の増幅回路の入力端子に設けられた電荷蓄積部と、第1の増幅回路の出力端子に対して入力端子が電気的に接続された第2の増幅回路と、第2の増幅回路の入力端子に電気的に接続された第1のスイッチ素子と、第1のスイッチ素子に電気的に接続された容量部と、第1の増幅回路と第1の増幅回路駆動用電流源との間に設けられた第2のスイッチ素子と、画素電極に電気的に接続されたリセット回路とから構成するようにしたので、リセット回路によって電荷蓄積部のリセット動作を行った後、第2のスイッチ素子をオンすることにより第1の増幅回路駆動用電流源によって第1の増幅回路を動作させることができ、第1のスイッチ素子をオンすることによって、上述した4Tr読出回路のような電荷転送を伴うことなく、容量部にリセット電位を蓄積することができる。   According to the solid-state imaging device and the imaging apparatus of the present invention, the readout circuit includes a first amplifier circuit electrically connected to the pixel electrode, a charge storage unit provided at an input terminal of the first amplifier circuit, A second amplifier circuit whose input terminal is electrically connected to the output terminal of the first amplifier circuit; a first switch element electrically connected to the input terminal of the second amplifier circuit; A capacitor portion electrically connected to the first switch element; a second switch element provided between the first amplifier circuit and the first amplifier circuit driving current source; and the pixel electrode electrically Since the charge storage unit is reset by the reset circuit, the second switch element is turned on to turn on the first amplifier circuit driving current source. The first amplifier circuit can be operated, and the first By turning on the switch element, without charge transfer, such as a 4Tr read circuit described above, it is possible to accumulate a reset potential to the capacitor portion.

そして、その後、電荷蓄積部に信号電荷を蓄積した後、第1のスイッチ素子をオンすることによって容量部に蓄積されたリセット電位に応じたリセット信号を第2の増幅回路を介して読み出し、その後、第2のスイッチ素子をさらにオンすることによって電荷蓄積部に蓄積された信号電荷に応じた蓄積信号を第2の増幅回路を介して読み出すことができるので、蓄積信号からリセット信号を減算することによってリセットkTCノイズを適切に除去することができる。   Then, after storing the signal charge in the charge storage unit, the reset signal stored in the capacitor unit is read out via the second amplifier circuit by turning on the first switch element, and then Since the stored signal corresponding to the signal charge stored in the charge storage section can be read out via the second amplifier circuit by further turning on the second switch element, the reset signal is subtracted from the stored signal. Thus, the reset kTC noise can be appropriately removed.

また、容量部からのリセット信号の読出しや電荷蓄積部からの蓄積信号の読出しの際、上述した4Tr読出回路のような電荷転送動作を行わないので、不完全な転送による転送ノイズの発生やリニアリティ不良などの問題も生じることはない。   In addition, when the reset signal is read from the capacitor section or the accumulated signal is read from the charge storage section, the charge transfer operation is not performed as in the 4Tr readout circuit described above. Problems such as defects do not occur.

また、上記本発明の固体撮像素子において、電荷蓄積部の容量よりも容量部の容量の方を大きくするようにした場合には、第2の増幅回路によるノイズを無視することができる。   Further, in the solid-state imaging device of the present invention, when the capacitance of the capacitor is larger than that of the charge storage unit, noise due to the second amplifier circuit can be ignored.

また、第1の増幅回路を、第2のスイッチ素子がオンした場合のみ動作させることができるので、第1の増幅回路を使用しないときには第2のスイッチ素子をオフして第1の増幅回路をオフ動作させることができるので、第1の増幅回路の消費電力を低減することができる。   In addition, since the first amplifier circuit can be operated only when the second switch element is turned on, when the first amplifier circuit is not used, the second switch element is turned off and the first amplifier circuit is turned on. Since the off operation can be performed, the power consumption of the first amplifier circuit can be reduced.

また、第1の増幅回路および第2の増幅回路をソースフォロワ回路で構成するようにした場合には、第1の増幅回路および第2の増幅回路の面積を小さくすることができる。   In addition, when the first amplifier circuit and the second amplifier circuit are configured by source follower circuits, the areas of the first amplifier circuit and the second amplifier circuit can be reduced.

また、第1の増幅回路駆動用電流源を、画素部の列毎に設けるようにした場合には、第1の増幅回路駆動用電流源を複数の画素部で共有することができるので、画素毎に第1の増幅回路駆動用電流源を設ける場合と比較すると1画素あたりの面積を小さくすることができる。   Further, when the first amplifier circuit driving current source is provided for each column of the pixel portion, the first amplifier circuit driving current source can be shared by a plurality of pixel portions. Compared with the case where the first amplifier circuit driving current source is provided every time, the area per pixel can be reduced.

また、容量部を、MOS(Metal Oxide Semiconductor)キャパシタ、MIM(Metal-Insulator-Metal)キャパシタまたはPIP(Poly-Insulator-Poly)キャパシタで形成するようにした場合には、容量部を不純物領域から形成する場合と比較すると容量部への漏れ光の入射の影響を小さくすることができ、また、暗電流も少なくすることができる。   Further, when the capacitor is formed by a MOS (Metal Oxide Semiconductor) capacitor, an MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitor, or a PIP (Poly-Insulator-Poly) capacitor, the capacitor is formed from an impurity region. Compared with the case where it does, the influence of the incident of the leaked light to the capacitor portion can be reduced, and the dark current can also be reduced.

また、第2の増幅回路の出力端子が電気的に接続される信号線に対して設けられた第2の増幅回路駆動用電流源の電流値よりも第1の増幅回路駆動用電流源の電流値の方を小さくするようにした場合には、第1の増幅回路駆動用電流源の消費電力の低減を図ることができる。   Further, the current of the first amplifier circuit driving current source is larger than the current value of the second amplifier circuit driving current source provided for the signal line to which the output terminal of the second amplifier circuit is electrically connected. When the value is made smaller, the power consumption of the first amplifier circuit driving current source can be reduced.

また、電荷蓄積部に蓄積される信号電荷を正孔とし、読出回路をnMOSから構成するようにした場合には、暗電流の影響を小さくすることができる。   In addition, when the signal charge stored in the charge storage unit is a hole and the readout circuit is composed of an nMOS, the influence of dark current can be reduced.

本発明の固体撮像素子の一実施形態を構成する画素部を示す図The figure which shows the pixel part which comprises one Embodiment of the solid-state image sensor of this invention. 本発明の固体撮像素子の一実施形態の断面模式図Schematic cross-sectional view of an embodiment of a solid-state imaging device of the present invention 図2に示す固体撮像素子の周辺回路を含む全体構成を示す図The figure which shows the whole structure containing the peripheral circuit of the solid-state image sensor shown in FIG. 本発明の固体撮像素子の一実施形態における所定の一行の画素部における動作シーケンスを示す図The figure which shows the operation | movement sequence in the pixel part of the predetermined line in one Embodiment of the solid-state image sensor of this invention. 本発明の固体撮像素子の一実施形態の画素部の動作を説明するためのタイミングチャートTiming chart for explaining the operation of the pixel portion of one embodiment of the solid-state imaging device of the present invention

以下、図面を参照して本発明の固体撮像素子の一実施形態について説明する。図1は、本実施形態の固体撮像素子を構成する多数の画素部のうちの1つの画素部の回路構成を示す図である。本実施形態の固体撮像素子は、図1に示す画素部10を2次元状に多数配列したものである。   Hereinafter, an embodiment of the solid-state imaging device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration of one pixel unit among a large number of pixel units constituting the solid-state imaging device of the present embodiment. The solid-state imaging device of the present embodiment has a large number of pixel portions 10 shown in FIG.

画素部10は、図1に示すように、光電変換部11と、電荷蓄積部Cpと、第1の増幅回路12と、蓄積スイッチトランジスタ13(請求項における第1のスイッチ素子に相当する)と、容量部14と、第2の増幅回路15と、選択トランジスタ16と、リセットトランジスタ17(請求項におけるリセット回路に相当する)と、書き込みトランジスタ18(請求項における第2のスイッチ素子の相当する)とを備えている。ノードPDおよびフローティングディフュージョンノードFdはそれぞれ第1、第2の増幅回路12,15の入力ノードである。   As shown in FIG. 1, the pixel unit 10 includes a photoelectric conversion unit 11, a charge storage unit Cp, a first amplifier circuit 12, and a storage switch transistor 13 (corresponding to a first switch element in the claims). , Capacitor 14, second amplifier circuit 15, selection transistor 16, reset transistor 17 (corresponding to the reset circuit in the claims), and write transistor 18 (corresponding to the second switch element in the claims) And. The node PD and the floating diffusion node Fd are input nodes of the first and second amplifier circuits 12 and 15, respectively.

本実施形態においては、第1の増幅回路12と、蓄積スイッチトランジスタ13と、第2の増幅回路15と、選択トランジスタ16と、リセットトランジスタ17と、書き込みトランジスタ18は、それぞれnチャネルのMOSトランジスタから構成されている。   In the present embodiment, the first amplifier circuit 12, the storage switch transistor 13, the second amplifier circuit 15, the selection transistor 16, the reset transistor 17, and the write transistor 18 are each composed of an n-channel MOS transistor. It is configured.

光電変換部11は、画素電極104と、画素電極104に対向して設けられた対向電極108と、画素電極104と対向電極108との間に設けられた光電変換層107とを備えている。   The photoelectric conversion unit 11 includes a pixel electrode 104, a counter electrode 108 provided to face the pixel electrode 104, and a photoelectric conversion layer 107 provided between the pixel electrode 104 and the counter electrode 108.

画素電極104は、画素部10毎に区分された電極であり、たとえばITOやアルミニウムや窒化チタンなどのような透明または不透明な導電性材料から形成されるものである。画素電極104は、光電変換層107において発生した電荷を画素部10毎に捕集するものである。   The pixel electrode 104 is an electrode divided for each pixel unit 10 and is formed of a transparent or opaque conductive material such as ITO, aluminum, or titanium nitride. The pixel electrode 104 collects charges generated in the photoelectric conversion layer 107 for each pixel unit 10.

対向電極108は、画素電極104との間で光電変換層107に電圧を印加し、光電変換層107に電界を生じさせるための電極である。対向電極108は、光電変換層107よりも光の入射面側に設けられており、対向電極108を透過して光電変換層107に光を入射させる必要があるため、入射光に対して透明なITOなどの導電性材料から形成される。なお、本実施形態における対向電極108は、全ての画素部10で共通の1枚の電極から構成されるものであるが、画素部10毎に分割する構成としてもよい。また、本実施形態においては、この対向電極108に正のバイアス電圧が印加され、画素電極104によって正孔が捕集されるものとする。   The counter electrode 108 is an electrode for applying a voltage to the photoelectric conversion layer 107 between the pixel electrode 104 and generating an electric field in the photoelectric conversion layer 107. Since the counter electrode 108 is provided on the light incident surface side of the photoelectric conversion layer 107 and needs to be transmitted through the counter electrode 108 and incident on the photoelectric conversion layer 107, the counter electrode 108 is transparent to the incident light. It is formed from a conductive material such as ITO. Note that the counter electrode 108 in the present embodiment is configured by one electrode common to all the pixel units 10, but may be configured to be divided for each pixel unit 10. In this embodiment, it is assumed that a positive bias voltage is applied to the counter electrode 108 and holes are collected by the pixel electrode 104.

光電変換層107は、入射光を吸収し、その吸収した光量に応じた電荷を発生する有機光電変換膜または無機光電変換膜を含むものである。なお、光電変換層107と対向電極108との間、または光電変換層107と画素電極104との間に、電極から光電変換層107へ電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けるようにしてもよい。   The photoelectric conversion layer 107 includes an organic photoelectric conversion film or an inorganic photoelectric conversion film that absorbs incident light and generates charges according to the absorbed light quantity. Note that a function of a charge blocking layer or the like that suppresses charge injection from the electrode to the photoelectric conversion layer 107 between the photoelectric conversion layer 107 and the counter electrode 108 or between the photoelectric conversion layer 107 and the pixel electrode 104. A layer may be provided.

ノードPDは、第1の増幅回路12の入力ノードであり、画素電極104と読出回路116をつなぐノードである。具体的には、ノードPDは、画素電極104、第1の増幅回路12のソースフォロワ回路のゲート、リセットトランジスタ17のドレインが電気的につながったノードである。画素電極104と読出回路116をつなぐために、ノードPDにはn型不純物領域がつながっており、このため、ノードPDは完全空乏化出来ない。   The node PD is an input node of the first amplifier circuit 12 and a node connecting the pixel electrode 104 and the readout circuit 116. Specifically, the node PD is a node in which the pixel electrode 104, the gate of the source follower circuit of the first amplifier circuit 12, and the drain of the reset transistor 17 are electrically connected. In order to connect the pixel electrode 104 and the readout circuit 116, an n-type impurity region is connected to the node PD. Therefore, the node PD cannot be completely depleted.

電荷蓄積部CpはノードPDにつながった電荷蓄積部である。ノードPDのn型不純物領域や配線の寄生容量などによって電荷蓄積部Cpは形成される。光電変換層107で発生し、画素電極104に捕集され、電荷蓄積部Cpに蓄積された信号電荷(電子または正孔)の量に応じてノードPDの電位が変化する。   The charge storage unit Cp is a charge storage unit connected to the node PD. The charge storage portion Cp is formed by the n-type impurity region of the node PD and the parasitic capacitance of the wiring. The potential of the node PD changes according to the amount of signal charges (electrons or holes) generated in the photoelectric conversion layer 107, collected in the pixel electrode 104, and accumulated in the charge accumulation unit Cp.

第1の増幅回路12は、その入力端子が画素電極104に電気的に接続されるものである。また、第1の増幅回路12は、ソースフォロワ回路から構成されるものであり、そのソース端子(出力端子)に対して書き込みトランジスタ18のドレイン端子が接続されている。そして、書き込みトランジスタ18のソース端子は電源ラインL1に接続されており、電源ラインL1には、第1の増幅回路駆動用電流源19が設けられている。この第1の増幅回路駆動用電流源19は、第1の増幅回路12を動作させるために設けられたものである。そして、書き込みトランジスタ18のゲート端子Writeに印加される書き込みパルスがハイレベルになると書き込みトランジスタ18がオンし、この場合にのみ第1の増幅回路駆動用電流源19と第1の増幅回路12とが接続され、これにより第1の増幅回路12が動作して第1の増幅回路12の出力端子から所望の信号が出力される。このように書き込みトランジスタ18のオン・オフを制御することによって、第1の増幅回路12の動作期間を制限することができ、消費電力を低減することができる。   The first amplifier circuit 12 has an input terminal electrically connected to the pixel electrode 104. The first amplifier circuit 12 is composed of a source follower circuit, and the drain terminal of the write transistor 18 is connected to the source terminal (output terminal). The source terminal of the write transistor 18 is connected to the power supply line L1, and a first amplifier circuit driving current source 19 is provided in the power supply line L1. The first amplifier circuit driving current source 19 is provided for operating the first amplifier circuit 12. When the write pulse applied to the gate terminal Write of the write transistor 18 becomes high level, the write transistor 18 is turned on. Only in this case, the first amplifier circuit driving current source 19 and the first amplifier circuit 12 are turned on. Accordingly, the first amplifier circuit 12 operates to output a desired signal from the output terminal of the first amplifier circuit 12. By controlling on / off of the write transistor 18 in this manner, the operation period of the first amplifier circuit 12 can be limited, and power consumption can be reduced.

また、本実施形態における電源ラインL1および第1の増幅回路駆動用電流源19は、画素部10の列毎に設けられるものである。すなわち1つの第1の増幅回路駆動用電流源19が、1列の画素部10の第1の増幅回路12の駆動のために共通して用いられる。このように第1の増幅回路駆動用電流源19を複数の画素部10で共通化し、画素部10内に電流源を設けないことで、画素部の面積を小さくすることができる。   Further, the power supply line L1 and the first amplifier circuit driving current source 19 in the present embodiment are provided for each column of the pixel unit 10. That is, one first amplifying circuit driving current source 19 is commonly used for driving the first amplifying circuits 12 of the pixel units 10 in one column. Thus, by sharing the first amplifier circuit driving current source 19 in the plurality of pixel units 10 and not providing the current source in the pixel unit 10, the area of the pixel unit can be reduced.

また、第2の増幅回路15を動作させるための第2の増幅回路駆動用電流源20も信号線L2に対して設けられるが、第1の増幅回路12の出力端子に接続される容量部14の容量はせいぜい数10fFであり、これに対し、第2の増幅回路15が接続される信号線L2が有する容量は数pFであるため、第1の増幅回路駆動用電流源19によって流される電流値は、第2の増幅回路駆動用電流源20によって流される電流値よりも小さくてよい。これによっても消費電力の低減を図ることができる。   In addition, a second amplifier circuit driving current source 20 for operating the second amplifier circuit 15 is also provided for the signal line L2, but the capacitor unit 14 connected to the output terminal of the first amplifier circuit 12 is provided. Since the capacitance of the signal line L2 to which the second amplifier circuit 15 is connected is several pF, the current flowing through the first amplifier circuit driving current source 19 is at most several tens of fF. The value may be smaller than the current value supplied by the second amplifier circuit driving current source 20. This can also reduce power consumption.

フローティングディフュージョンノードFDは、第2の増幅回路15のゲートにつながっており、第2の増幅回路15の入力ノードである。また、フローティングディフュージョンノードFDは、第1の増幅回路12の出力にもつながっている。   The floating diffusion node FD is connected to the gate of the second amplifier circuit 15 and is an input node of the second amplifier circuit 15. The floating diffusion node FD is also connected to the output of the first amplifier circuit 12.

蓄積スイッチトランジスタ13は、フローティングディフュージョンノードFDと容量部14との間に設けられるものである。第1の増幅回路12のオン期間中に蓄積スイッチトランジスタ13がオンすることによって第1の増幅回路12の出力が容量部14に蓄積される。また、読出期間中に蓄積スイッチトランジスタ13がオンすることで、容量部14に蓄積された信号をフローティングディフュージョンノードFDおよび第2の増幅回路15を介して読み出すことができる。   The storage switch transistor 13 is provided between the floating diffusion node FD and the capacitor unit 14. When the storage switch transistor 13 is turned on during the ON period of the first amplifier circuit 12, the output of the first amplifier circuit 12 is stored in the capacitor unit 14. Further, when the storage switch transistor 13 is turned on during the reading period, the signal stored in the capacitor unit 14 can be read out via the floating diffusion node FD and the second amplifier circuit 15.

容量部14は、上述したように第1の増幅回路12から出力された信号電圧を蓄積するものである。容量部14としては、MOS(Metal Oxide Semiconductor)キャパシタ、MIM(Metal-Insulator-Metal)キャパシタまたはPIP(Poly-Insulator-Poly)キャパシタで形成することが望ましい。容量部14をこれらのキャパシタよって形成することによって、不純物領域から形成する場合と比較すると容量部14への漏れ光の入射の影響を小さくすることができ、また、暗電流も少なくすることができる。   The capacitor 14 accumulates the signal voltage output from the first amplifier circuit 12 as described above. The capacitor 14 is preferably formed of a metal oxide semiconductor (MOS) capacitor, a metal-insulator-metal (MIM) capacitor, or a poly-insulator-poly (PIP) capacitor. By forming the capacitor portion 14 with these capacitors, it is possible to reduce the influence of leakage light incident on the capacitor portion 14 and to reduce the dark current as compared with the case where the capacitor portion 14 is formed from an impurity region. .

また、容量部14は、その容量が電荷蓄積部Cpの容量よりも大きくなるように形成することが望ましい。このように容量を制御することによって蓄積スイッチトランジスタ13および第2の増幅回路15によるノイズを無視することができる。容量部14の容量制御の方法としては、たとえば容量部14を構成する電極の面積を制御するようにすればよい。   Further, it is desirable that the capacitor portion 14 be formed so that its capacitance is larger than that of the charge storage portion Cp. By controlling the capacitance in this way, noise caused by the storage switch transistor 13 and the second amplifier circuit 15 can be ignored. As a method of controlling the capacity of the capacitor unit 14, for example, the area of the electrodes constituting the capacitor unit 14 may be controlled.

第2の増幅回路15は、ソースフォロワ回路から構成されるものであり、フローティングディフュージョンノードFDの電位に応じた信号を信号線L2に出力するものである。第2の増幅回路15の出力端子(ソース端子)には選択トランジスタ16が接続されている。そして、この選択トランジスタ16がオンされた場合に、第2の増幅回路15と信号線L2に接続された第2の増幅回路駆動用電流源20とが接続され、これにより第2の増幅回路15が動作して第2の増幅回路15の出力端子(ソース端子)から信号が出力される。信号線L2および第2の増幅回路駆動用電流源20は、画素部10の列毎に設けられるものである。   The second amplifier circuit 15 is composed of a source follower circuit, and outputs a signal corresponding to the potential of the floating diffusion node FD to the signal line L2. A selection transistor 16 is connected to the output terminal (source terminal) of the second amplifier circuit 15. When the selection transistor 16 is turned on, the second amplifier circuit 15 and the second amplifier circuit driving current source 20 connected to the signal line L2 are connected, whereby the second amplifier circuit 15 is connected. Operates and a signal is output from the output terminal (source terminal) of the second amplifier circuit 15. The signal line L2 and the second amplifier circuit driving current source 20 are provided for each column of the pixel unit 10.

選択トランジスタ16は、そのソース端子が信号線L2に接続されるものであり、各画素部10の第2の増幅回路15から出力される信号を列毎に設けられた信号線L2に選択的に出力するためのものである。選択トランジスタ16のゲート端子RWに印加される選択パルスがハイレベルになると、選択トランジスタ16はオンし、これにより各画素部10の第2の増幅回路15から出力された信号が信号線L2に出力される。   The selection transistor 16 has a source terminal connected to the signal line L2, and selectively outputs a signal output from the second amplifier circuit 15 of each pixel unit 10 to the signal line L2 provided for each column. It is for output. When the selection pulse applied to the gate terminal RW of the selection transistor 16 becomes high level, the selection transistor 16 is turned on, whereby the signal output from the second amplifier circuit 15 of each pixel unit 10 is output to the signal line L2. Is done.

リセットトランジスタ17は、ノードPDの電位を基準電位にリセットするものである。リセットトランジスタ17のドレイン端子にはノードPDが電気的に接続され、ソース端子にはリセット電源が接続され、このリセット電源によって基準電圧RD1が供給される。リセットトランジスタ17のゲート端子RS1に印加されるリセットパルスがハイレベルになると、リセットトランジスタ17がオンし、ノードPDの電位が降下して基準電位RD1にリセットされる。   The reset transistor 17 resets the potential of the node PD to the reference potential. A node PD is electrically connected to the drain terminal of the reset transistor 17, and a reset power source is connected to the source terminal, and the reference voltage RD1 is supplied by the reset power source. When the reset pulse applied to the gate terminal RS1 of the reset transistor 17 becomes high level, the reset transistor 17 is turned on, and the potential of the node PD is lowered and reset to the reference potential RD1.

図2は、図1に示した画素部10を2次元状に多数配列した固体撮像素子100の断面模式図である。なお、図2においては、図1に示した画素部10と同じ構成については同じ名称と符号を付している。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a solid-state imaging device 100 in which a large number of pixel portions 10 shown in FIG. 1 are arranged two-dimensionally. In FIG. 2, the same name and reference numeral are assigned to the same configuration as the pixel unit 10 illustrated in FIG. 1.

固体撮像素子100は、図2に示すように、回路基板101と、配線層102と、接続電極103と、画素電極104と、接続配線105と、接続部106と、光電変換層107と、対向電極108と、封止層110と、カラーフィルタ111と、遮光層113と、保護層114と、対向電極電圧供給部115と、読出回路116とを備えている。   As shown in FIG. 2, the solid-state imaging device 100 includes a circuit board 101, a wiring layer 102, a connection electrode 103, a pixel electrode 104, a connection wiring 105, a connection unit 106, a photoelectric conversion layer 107, An electrode 108, a sealing layer 110, a color filter 111, a light shielding layer 113, a protective layer 114, a counter electrode voltage supply unit 115, and a readout circuit 116 are provided.

回路基板101は、読出回路116が形成されるものであり、Siなどの半導体基板から構成されるものである。回路基板101上には配線層102が形成されており、この配線層102に形成された接続配線105によって読出回路116と画素電極104とが接続されている。また、上述した電源ラインL1と信号線L2も配線層102中に形成される。また、配線層102の表面には複数の画素電極104と1つ以上の接続電極103とが形成されている。   The circuit board 101 is formed with a readout circuit 116 and is made of a semiconductor substrate such as Si. A wiring layer 102 is formed on the circuit board 101, and the readout circuit 116 and the pixel electrode 104 are connected by a connection wiring 105 formed in the wiring layer 102. Further, the above-described power supply line L1 and signal line L2 are also formed in the wiring layer 102. A plurality of pixel electrodes 104 and one or more connection electrodes 103 are formed on the surface of the wiring layer 102.

光電変換層107は、上述したように受光した光に応じて電荷を発生するものである。光電変換層107は、複数の画素電極104を覆うように設けられている。光電変換層107は、画素電極104の上では一定の膜厚となっているが、画素部以外(有効画素領域外)では膜厚が変化していても問題ない。   The photoelectric conversion layer 107 generates electric charge according to the received light as described above. The photoelectric conversion layer 107 is provided so as to cover the plurality of pixel electrodes 104. The photoelectric conversion layer 107 has a constant film thickness on the pixel electrode 104, but there is no problem even if the film thickness changes outside the pixel portion (outside the effective pixel area).

対向電極108は、画素電極104と対向する電極であり、光電変換層107を覆うように設けられている。対向電極108は、光電変換層107よりも外側に配置された接続電極103の上にまで形成されており、接続電極103と電気的に接続されている。   The counter electrode 108 is an electrode facing the pixel electrode 104 and is provided so as to cover the photoelectric conversion layer 107. The counter electrode 108 is formed up to the connection electrode 103 arranged outside the photoelectric conversion layer 107 and is electrically connected to the connection electrode 103.

接続部106は、配線層102に埋設されており、接続電極103と対向電極電圧供給部115とを電気的に接続するためのプラグなどである。対向電極電圧供給部115は、回路基板101に形成され、接続部106および接続電極103を介して対向電極108に所定の電圧を印加するものである。なお、対向電圧供給部115は、回路基板101に形成された構成ではなく、直接外部の電源とつながった構成としても良い。   The connection unit 106 is embedded in the wiring layer 102 and is a plug or the like for electrically connecting the connection electrode 103 and the counter electrode voltage supply unit 115. The counter electrode voltage supply unit 115 is formed on the circuit board 101 and applies a predetermined voltage to the counter electrode 108 via the connection unit 106 and the connection electrode 103. Note that the counter voltage supply unit 115 may be configured not directly on the circuit board 101 but directly connected to an external power source.

読出回路116は、図1に示した電荷蓄積部Cpと、第1の増幅回路12と、蓄積スイッチトランジスタ13と、容量部14と、第2の増幅回路15と、選択トランジスタ16と、リセットトランジスタ17と、書き込みトランジスタ18と、ノードPDと、フローティングディフュージョンノードFDとを備え、配線層102中の金属配線によって配線されたものである。読出回路116は、複数の画素電極104の各々に対応して回路基板101に設けられており、対応する画素電極104で捕集された電荷に応じた信号を読み出すものである。   The read circuit 116 includes the charge storage unit Cp, the first amplifier circuit 12, the storage switch transistor 13, the capacitor unit 14, the second amplifier circuit 15, the selection transistor 16, and the reset transistor illustrated in FIG. 17, a write transistor 18, a node PD, and a floating diffusion node FD, which are wired by metal wiring in the wiring layer 102. The readout circuit 116 is provided on the circuit board 101 corresponding to each of the plurality of pixel electrodes 104, and reads out a signal corresponding to the charge collected by the corresponding pixel electrode 104.

封止層110は、対向電極108を覆うように設けられている。   The sealing layer 110 is provided so as to cover the counter electrode 108.

カラーフィルタ111は、封止層110上の各画素電極104と対向する位置に形成されている。遮光層113は、封止層110上のカラーフィルタ111を設けた領域以外に形成されており、有効画素領域以外に形成された光電変換層107に光が入射するのを防止するものである。カラーフィルタ111としては、たとえばベイヤー配列のカラーフィルタを用いることができるが、これに限らず、補色型のカラーフィルタやその他の公知なカラーフィルタを用いることができる。   The color filter 111 is formed at a position facing each pixel electrode 104 on the sealing layer 110. The light shielding layer 113 is formed in a region other than the region where the color filter 111 is provided on the sealing layer 110, and prevents light from entering the photoelectric conversion layer 107 formed outside the effective pixel region. As the color filter 111, for example, a Bayer color filter can be used. However, the color filter 111 is not limited thereto, and a complementary color filter or other known color filters can be used.

保護層114は、カラーフィルタ111および遮光層113上に形成されており、固体撮像素子全体を保護するものである。   The protective layer 114 is formed on the color filter 111 and the light shielding layer 113, and protects the entire solid-state imaging device.

図3は、図2に示した固体撮像素子100の周辺回路を含む全体構成を示す図である。図3に示すように、本実施形態の固体撮像素子100は、垂直ドライバ121と、制御部122と、信号処理回路123と、水平ドライバ124と、LVDS125と、シリアル変換部126と、パッド127とを備えている。図3に示す画素領域は、図2に示した固体撮像素子100の画素部10が配列された領域を表している。   FIG. 3 is a diagram showing an overall configuration including peripheral circuits of the solid-state imaging device 100 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment includes a vertical driver 121, a control unit 122, a signal processing circuit 123, a horizontal driver 124, an LVDS 125, a serial conversion unit 126, and a pad 127. It has. The pixel area shown in FIG. 3 represents an area where the pixel portions 10 of the solid-state imaging device 100 shown in FIG. 2 are arranged.

制御部122は、タイミングジェネレータなどを備えたものであり、フレーム同期信号VDや行同期信号HDを出力するとともに、垂直ドライバ121や水平ドライバ124の動作を制御することによって画素部10における信号電荷の読出しなどを制御するものである。   The control unit 122 includes a timing generator and the like. The control unit 122 outputs a frame synchronization signal VD and a row synchronization signal HD, and controls the operations of the vertical driver 121 and the horizontal driver 124 to control signal charges in the pixel unit 10. It controls reading and the like.

特に、本実施形態の制御部122は、リセットトランジスタ17によってリセット動作を行った後、蓄積スイッチトランジスタ13と書き込みトランジスタ18とをオンすることによって第1の増幅回路12を介して容量部14にリセット電位を蓄積し、その後、電荷蓄積部Cpに信号電荷を蓄積した後、蓄積スイッチトランジスタ13をオンすることによって容量部14に蓄積されたリセット電位を第2の増幅回路15を介して読み出し、その後、書き込みトランジスタ18をさらにオンすることによって電荷蓄積部Cpに蓄積された信号電荷に応じた信号をノードPDから第1の増幅回路12および第2の増幅回路15を介して読み出すように制御するものである。なお、制御部122による上述した制御については、後で詳述する。   In particular, the control unit 122 of the present embodiment resets the capacitor unit 14 via the first amplifier circuit 12 by turning on the storage switch transistor 13 and the write transistor 18 after performing a reset operation by the reset transistor 17. After accumulating the potential and then accumulating the signal charge in the charge accumulating unit Cp, the reset potential accumulated in the capacitor unit 14 is read through the second amplifier circuit 15 by turning on the accumulation switch transistor 13, and thereafter , By further turning on the write transistor 18, the signal corresponding to the signal charge stored in the charge storage unit Cp is controlled to be read from the node PD via the first amplifier circuit 12 and the second amplifier circuit 15. It is. The above-described control by the control unit 122 will be described in detail later.

垂直ドライバ121は、制御部122から出力された制御信号に基づいて、読出回路116に対してリセットパルスおよび選択パルスを出力し、これにより読出回路116におけるリセット動作や信号電荷の読出動作を制御するものである。また、本実施形態における垂直ドライバ121は、読出回路116における蓄積スイッチトランジスタ13をオン・オフするための蓄積パルスや、書き込みトランジスタ18をオン・オフするための書き込みパルスも出力するものである。   The vertical driver 121 outputs a reset pulse and a selection pulse to the reading circuit 116 based on the control signal output from the control unit 122, thereby controlling a reset operation and a signal charge reading operation in the reading circuit 116. Is. Further, the vertical driver 121 in the present embodiment outputs an accumulation pulse for turning on / off the accumulation switch transistor 13 in the read circuit 116 and a write pulse for turning on / off the write transistor 18.

信号処理回路123は、読出回路116の各列に対応して設けられるものである。信号処理回路123は、対応する列から出力された信号に対し、相関二重サンプリング(CDS)処理を行ない、処理後の信号をデジタル信号に変換するADC回路を備えたものである。信号処理回路123で処理後の信号は、列毎に設けられたメモリに記憶される。   The signal processing circuit 123 is provided corresponding to each column of the readout circuit 116. The signal processing circuit 123 includes an ADC circuit that performs correlated double sampling (CDS) processing on the signals output from the corresponding columns and converts the processed signals into digital signals. The signal processed by the signal processing circuit 123 is stored in a memory provided for each column.

水平ドライバ124は、信号処理回路123のメモリに記憶された画素部10の1行分の信号を順次読出してLVDS125に出力する制御を行なうものである。   The horizontal driver 124 performs control for sequentially reading out signals for one row of the pixel unit 10 stored in the memory of the signal processing circuit 123 and outputting the signals to the LVDS 125.

LVDS125は、LVDS(low voltage differential signaling)に従ってデジタル信号を伝送する。シリアル変換部126は、入力されるパラレルのデジタル信号をシリアルに変換して出力するものである。パッド127は、外部との入出力に用いるインターフェースである。   The LVDS 125 transmits a digital signal in accordance with LVDS (low voltage differential signaling). The serial conversion unit 126 converts an input parallel digital signal into a serial signal and outputs it. The pad 127 is an interface used for input / output with the outside.

次に、本実施形態の固体撮像素子100の動作について説明する。   Next, the operation of the solid-state imaging device 100 of this embodiment will be described.

本実施形態の固体撮像素子100においては、画素部10の各行が列方向に順次走査され、各行について、リセット動作、リセット電位の蓄積、リセット電位の読出動作および電荷信号の読出動作がそれぞれ行われる。図4は、所定の一行の画素部10における各動作のシーケンスを簡単に示したものである。なお、図4では説明のため読み出し期間が比較的長く示してあるが、実際には蓄積期間および排出期間に比べて読み出し期間は無視できるほど短い。   In the solid-state imaging device 100 of the present embodiment, each row of the pixel unit 10 is sequentially scanned in the column direction, and a reset operation, a reset potential accumulation, a reset potential read operation, and a charge signal read operation are performed for each row. . FIG. 4 simply shows a sequence of each operation in the pixel unit 10 in a predetermined row. In FIG. 4, the reading period is shown to be relatively long for the sake of explanation, but actually the reading period is negligibly shorter than the accumulation period and the discharging period.

図4に示すように、まず、露光期間の始めの時刻t1においてノードPDがリセットされ、そのリセット電位が第1の増幅回路12および蓄積スイッチトランジスタ13を介して容量部14に蓄積される。   As shown in FIG. 4, first, the node PD is reset at the time t1 at the beginning of the exposure period, and the reset potential is stored in the capacitor unit 14 via the first amplifier circuit 12 and the storage switch transistor 13.

そして、その後の露光期間で電荷蓄積部Cpに光電変換部11において発生した信号電荷が画素電極104を介して蓄積される。   In the subsequent exposure period, signal charges generated in the photoelectric conversion unit 11 are accumulated in the charge accumulation unit Cp via the pixel electrode 104.

露光期間が終了すると、続いて読出期間に入る。読出期間では、始めに時刻t2において容量部14に蓄積されていたリセット電位が読み出され、そのリセット電位に応じたリセット信号がフローティングディフュージョンノードFD、第2の増幅回路15および選択トランジスタ16を介して信号線L2に読み出され、そのリセット信号が信号処理回路123によって取得される。   When the exposure period ends, the reading period starts. In the reading period, the reset potential stored in the capacitor unit 14 at the time t2 is first read out, and a reset signal corresponding to the reset potential is transmitted via the floating diffusion node FD, the second amplifier circuit 15, and the selection transistor 16. Is read out to the signal line L 2, and the reset signal is acquired by the signal processing circuit 123.

次に、時刻t3において、電荷蓄積部Cpに蓄積された信号電荷に応じた信号電圧がノードPDから第1の増幅回路12、フローティングディフュージョンノードFD、第2の増幅回路15および選択トランジスタ16を介して信号線L2に読み出され、その蓄積信号が信号処理回路123によって取得される。   Next, at time t3, a signal voltage corresponding to the signal charge stored in the charge storage unit Cp is transmitted from the node PD through the first amplifier circuit 12, the floating diffusion node FD, the second amplifier circuit 15, and the selection transistor 16. The signal is read out to the signal line L2, and the accumulated signal is acquired by the signal processing circuit 123.

そして、信号処理回路123は、入力された蓄積信号からリセット信号を減算することによって画素信号を取得する。   Then, the signal processing circuit 123 acquires a pixel signal by subtracting the reset signal from the input accumulated signal.

このような一連の動作で画素信号を取得した後、次の露光期間の開始まで各画素部10は排出期間となる。   After the pixel signal is acquired by such a series of operations, each pixel unit 10 is in the discharge period until the start of the next exposure period.

以上が、所定の一行の画素部10における各動作のシーケンスである。   The above is the sequence of each operation in the pixel unit 10 in a predetermined row.

次に、図4に示すシーケンスを実行する際の読出回路116の詳細な動作制御について、図5を参照しながら説明する。   Next, detailed operation control of the reading circuit 116 when the sequence shown in FIG. 4 is executed will be described with reference to FIG.

まず、図5に示すように、リセットトランジスタ17のゲート端子RS1に対してリセットパルスが供給され、これによりリセットトランジスタ17がオンすることによってノードPDがリセットされる。   First, as shown in FIG. 5, a reset pulse is supplied to the gate terminal RS1 of the reset transistor 17, whereby the reset transistor 17 is turned on to reset the node PD.

そして、リセットパルスがローレベルになった直後に、書き込みトランジスタ18のゲート端子Writeに対して書き込みパルスが供給されるとともに、蓄積スイッチトランジスタ13のゲート端子Stに対して蓄積パルスが供給される。これにより書き込みトランジスタ18がオンして第1の増幅回路12が動作し、さらに蓄積スイッチトランジスタ13がオンすることによってノードPDのリセット電位に応じたリセット信号が、第1の増幅回路12および蓄積スイッチトランジスタ13を介して容量部14に蓄積される。   Immediately after the reset pulse becomes low level, the write pulse is supplied to the gate terminal Write of the write transistor 18 and the storage pulse is supplied to the gate terminal St of the storage switch transistor 13. As a result, the write transistor 18 is turned on to operate the first amplifier circuit 12, and the storage switch transistor 13 is turned on, so that a reset signal corresponding to the reset potential of the node PD is supplied to the first amplifier circuit 12 and the storage switch. Accumulated in the capacitor 14 via the transistor 13.

リセットトランジスタ17がオフの露光期間中は、光電変換部11において発生した信号電荷が画素電極104を介して電荷蓄積部Cpへ蓄積され、ノードPDの電位が変化する。   During the exposure period in which the reset transistor 17 is off, the signal charge generated in the photoelectric conversion unit 11 is accumulated in the charge accumulation unit Cp via the pixel electrode 104, and the potential of the node PD changes.

所定の露光期間が経過した後の読出期間において読み出しを行う。読出期間中は、選択トランジスタ16がオンすることによって第2の増幅回路15が動作し、フローティングディフュージョンノードFDの電位に応じた信号が第2の増幅回路15および選択トランジスタ16を介して読み出されて信号線L2に出力される。   Reading is performed in a reading period after a predetermined exposure period has elapsed. During the reading period, the second amplifier circuit 15 operates when the selection transistor 16 is turned on, and a signal corresponding to the potential of the floating diffusion node FD is read through the second amplifier circuit 15 and the selection transistor 16. Is output to the signal line L2.

読出期間では、始めに書き込みトランジスタ18をオフのまま、蓄積スイッチトランジスタ13をオンすることで、フローティングディフュージョンノードFDの電位が容量部14に蓄積されていたリセット電位になる。このリセット電位が、第2の増幅回路15および選択トランジスタ16を介して読み出されて信号線L2に出力される。そして、信号線L2に出力されたリセット信号は、信号処理回路123によって取得される。   In the read period, the potential of the floating diffusion node FD becomes the reset potential stored in the capacitor unit 14 by turning on the storage switch transistor 13 while the write transistor 18 is initially turned off. This reset potential is read through the second amplifier circuit 15 and the selection transistor 16 and output to the signal line L2. The reset signal output to the signal line L2 is acquired by the signal processing circuit 123.

次いで、蓄積スイッチトランジスタ13および選択トランジスタ16がオンした状態において、さらに書き込みトランジスタ18のゲート端子Writeに対して書き込みパルスが供給されて書き込みトランジスタ18もオン状態となる。そして、これにより第1の増幅回路12が動作することによってノードPDから電荷蓄積部Cpに蓄積された信号電荷に応じた蓄積信号が、第1の増幅回路12、フローティングディフュージョンノードFD、第2の増幅回路15および選択トランジスタ16を介して読み出されて信号線L2に出力される。そして、信号線L2に出力された蓄積信号は、信号処理回路123によって取得される。   Next, in a state where the storage switch transistor 13 and the selection transistor 16 are turned on, a write pulse is further supplied to the gate terminal Write of the write transistor 18 so that the write transistor 18 is also turned on. As a result, when the first amplifier circuit 12 is operated, an accumulation signal corresponding to the signal charge accumulated in the charge accumulation unit Cp from the node PD becomes the first amplification circuit 12, the floating diffusion node FD, the second The data is read through the amplifier circuit 15 and the selection transistor 16 and output to the signal line L2. Then, the accumulated signal output to the signal line L2 is acquired by the signal processing circuit 123.

信号処理回路123は、このようにして得られた蓄積信号とリセット信号を減算することによって画素信号を取得する。   The signal processing circuit 123 obtains a pixel signal by subtracting the accumulated signal and the reset signal obtained in this way.

また、画素部10では上記のようにして蓄積信号が読み出された後、さらにリセットトランジスタ17のゲート端子RS1に対してリセットパルスが供給され、これによりリセットトランジスタ17もオン状態となることによって、ノードPD、フローティングディフュージョンノードFDおよび容量部14がリセットされる。   In addition, after the accumulated signal is read out in the pixel unit 10 as described above, a reset pulse is further supplied to the gate terminal RS1 of the reset transistor 17, whereby the reset transistor 17 is also turned on. The node PD, the floating diffusion node FD, and the capacitor unit 14 are reset.

このような一連の動作で露光・読み出しを完了した後、次の露光期間の開始まで各画素部10は排出期間となる。   After the exposure / reading is completed by such a series of operations, each pixel unit 10 is in the discharge period until the start of the next exposure period.

上述したような一連の動作が画素部10の各行について順次行われ、第1フレームの画像信号が取得される。   A series of operations as described above are sequentially performed for each row of the pixel unit 10, and an image signal of the first frame is acquired.

そして、再び、上記と同様の一連の動作が行われることによって第2フレームの画像信号が取得され、その後、同じ処理が順次繰り返されて行われることによって各フレームの画像信号が順次取得される。   Then, the image signal of the second frame is acquired again by performing the same series of operations as described above, and then the image signal of each frame is sequentially acquired by sequentially repeating the same processing.

上記実施形態の固体撮像素子100によれば、リセットトランジスタ17によってノードPDのリセット動作を行った後、蓄積スイッチトランジスタ13および書き込みトランジスタ18をオンすることにより第1の増幅回路駆動用電流源19によって第1の増幅回路12を動作させることができるので、これにより上述した4Tr読出回路のような電荷転送を伴うことなく、容量部14にリセット電位を蓄積することができる。   According to the solid-state imaging device 100 of the above-described embodiment, the reset operation of the node PD is performed by the reset transistor 17, and then the storage switch transistor 13 and the write transistor 18 are turned on by the first amplifier circuit driving current source 19. Since the first amplifier circuit 12 can be operated, a reset potential can be accumulated in the capacitor unit 14 without charge transfer as in the 4Tr readout circuit described above.

そして、読み出し時には、蓄積スイッチトランジスタ13をオンすることによって容量部14に蓄積されたリセット電位に応じたリセット信号を第2の増幅回路15を介して読み出し、その後、書き込みトランジスタ18をさらにオンすることによって露光期間中に電荷蓄積部Cpに蓄積された信号電荷に応じた蓄積信号をノードPDから第2の増幅回路15を介して読み出すことができるので、蓄積信号からリセット信号を減算することによってリセットkTCノイズを適切に除去することができる。   At the time of reading, by turning on the storage switch transistor 13, a reset signal corresponding to the reset potential stored in the capacitor unit 14 is read through the second amplifier circuit 15, and then the write transistor 18 is further turned on. Thus, the accumulated signal corresponding to the signal charge accumulated in the charge accumulating unit Cp during the exposure period can be read out from the node PD via the second amplifier circuit 15, and reset by subtracting the reset signal from the accumulated signal. kTC noise can be appropriately removed.

また、容量部14からのリセット信号の読出しやノードPDからの蓄積信号の読出しの際、上述した4Tr読出回路のような電荷転送動作を行わないので、不完全転送による転送ノイズの発生や残像などの問題も生じることはない。   Further, when the reset signal is read from the capacitor unit 14 or the accumulated signal is read from the node PD, the charge transfer operation as in the above-described 4Tr read circuit is not performed. The problem does not occur.

蓄積スイッチトランジスタ13のオン・オフに伴うスイッチングノイズについては、容量部14の容量が電荷蓄積部Cpの容量よりも大きいため、十分に小さく無視することが出来る。   The switching noise associated with the on / off operation of the storage switch transistor 13 can be ignored because it is sufficiently small because the capacitance of the capacitor portion 14 is larger than the capacitance of the charge storage portion Cp.

なお、上記実施形態の固体撮像素子100においては、対向電極108に正のバイアス電圧を印加し、画素電極104によって正孔を捕集するようにしたが、これに限らず、対向電極108に負のバイアス電圧を印加し、画素電極104によって電子を捕集するようにしてもよい。   In the solid-state imaging device 100 of the above-described embodiment, a positive bias voltage is applied to the counter electrode 108 and holes are collected by the pixel electrode 104. However, the present invention is not limited to this. May be applied to collect electrons by the pixel electrode 104.

また、上記実施形態の固体撮像素子100においては、読出回路116の各トランジスタにnMOSを用いるようにしたが、pMOSを用いるようにしてもよい。   In the solid-state imaging device 100 of the above embodiment, an nMOS is used for each transistor of the readout circuit 116. However, a pMOS may be used.

上述した駆動タイミングでは排出期間中、リセットトランジスタはオフとしたが、オンとしても構わない。   Although the reset transistor is turned off during the discharging period at the drive timing described above, it may be turned on.

画素電極で正孔を捕集する構成の場合、ノードPDの電位が上がりすぎるのを防ぐための保護回路を設けても良い。これにより、ノードPDの電位が上がりすぎることによる故障を抑えることが出来る。   In the case of collecting holes with the pixel electrode, a protection circuit for preventing the potential of the node PD from being excessively increased may be provided. As a result, a failure due to an excessive increase in the potential of the node PD can be suppressed.

また、上述した実施形態の固体撮像素子は、種々の撮像装置に用いることができる。撮像装置としては、たとえばデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子内視鏡、カメラ付携帯電話などがある。   In addition, the solid-state imaging device of the above-described embodiment can be used for various imaging devices. Examples of the imaging device include a digital camera, a digital video camera, an electronic endoscope, and a camera-equipped mobile phone.

10 画素部
11 光電変換部
12 第1の増幅回路
13 蓄積スイッチトランジスタ
14 容量部
15 第2の増幅回路
16 選択トランジスタ
17 リセットトランジスタ
18 トランジスタ
19 増幅回路駆動用電流源
20 増幅回路駆動用電流源
100 固体撮像素子
104 画素電極
107 光電変換層
116 読出回路
122 制御部
123 信号処理回路
FD フローティングディフュージョンノード
L1 電源ライン
L2 信号線
Cp 電荷蓄積部
PD 第1の増幅回路の入力ノード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Pixel part 11 Photoelectric conversion part 12 1st amplifier circuit 13 Accumulation switch transistor 14 Capacity | capacitance part 15 2nd amplifier circuit 16 Selection transistor 17 Reset transistor 18 Transistor 19 Current source 100 for amplifier circuit drive Current source 100 for amplifier circuit drive Solid Image sensor 104 Pixel electrode 107 Photoelectric conversion layer 116 Read circuit 122 Control unit 123 Signal processing circuit FD Floating diffusion node L1 Power supply line L2 Signal line Cp Charge storage unit PD Input node of the first amplifier circuit

Claims (13)

入射光の光量に応じた信号電荷を発生する光電変換層と、
該光電変換層において発生した信号電荷を捕集する画素電極と、
該画素電極に電気的に接続された第1の増幅回路、該第1の増幅回路の入力端子に設けられた電荷蓄積部、前記第1の増幅回路の出力端子に対して入力端子が電気的に接続された第2の増幅回路、該第2の増幅回路の入力端子に電気的に接続された第1のスイッチ素子、該第1のスイッチ素子に電気的に接続された容量部、前記第1の増幅回路と第1の増幅回路駆動用電流源との間に設けられた第2のスイッチ素子および前記画素電極に電気的に接続されたリセット回路を含む読出回路とを備えた画素部が2次元状に複数配列されていることを特徴とする固体撮像素子。
A photoelectric conversion layer that generates a signal charge according to the amount of incident light;
A pixel electrode that collects signal charges generated in the photoelectric conversion layer;
A first amplifier circuit electrically connected to the pixel electrode, a charge storage portion provided at an input terminal of the first amplifier circuit, and an input terminal electrically connected to an output terminal of the first amplifier circuit A second amplifying circuit connected to the first amplifying circuit; a first switching element electrically connected to an input terminal of the second amplifying circuit; a capacitance unit electrically connected to the first switching element; A pixel unit including a second switch element provided between one amplifier circuit and a first amplifier circuit driving current source and a readout circuit including a reset circuit electrically connected to the pixel electrode; A solid-state imaging device, wherein a plurality of two-dimensional arrays are arranged.
前記電荷蓄積部の容量よりも前記容量部の容量の方が大きいことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a capacity of the capacitor section is larger than a capacity of the charge storage section. 前記第1の増幅回路が、前記第2のスイッチ素子がオンした場合のみ動作するものであることを特徴とする請求項1または2記載の固体撮像素子。   3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first amplifier circuit operates only when the second switch element is turned on. 4. 前記第1の増幅回路および前記第2の増幅回路がソースフォロワ回路で構成されたものであることを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載の固体撮像素子。   4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first amplifier circuit and the second amplifier circuit are configured by a source follower circuit. 5. 前記第1の増幅回路駆動用電流源が、前記画素部の列毎に設けられたものであることを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載の固体撮像素子。   5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first amplifier circuit driving current source is provided for each column of the pixel portion. 6. 前記容量部が、MOS(Metal Oxide Semiconductor)キャパシタ、MIM(Metal-Insulator-Metal)キャパシタまたはPIP(Poly-Insulator-Poly)キャパシタで形成されたものであることを特徴とする請求項1から5いずれか1項記載の固体撮像素子。   6. The capacitor according to claim 1, wherein the capacitor is formed of a metal oxide semiconductor (MOS) capacitor, a metal-insulator-metal (MIM) capacitor, or a poly-insulator-poly (PIP) capacitor. The solid-state image sensor of Claim 1. 前記リセット回路によってリセット動作を行った後、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子をオンすることによって前記容量部にリセット電位を蓄積し、その後、前記電荷蓄積部に前記信号電荷を蓄積した後、前記第1のスイッチ素子をオンすることによって前記容量部に蓄積されたリセット電位に応じたリセット信号を前記第2の増幅回路を介して読み出し、その後、前記第2のスイッチ素子をさらにオンすることによって前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷に応じた蓄積信号を前記第2の増幅回路を介して読み出すように制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項1から6いずれか1項記載の固体撮像素子。   After performing the reset operation by the reset circuit, the first switch element and the second switch element are turned on to store a reset potential in the capacitor unit, and then the signal charge is stored in the charge storage unit. After the accumulation, by turning on the first switch element, a reset signal corresponding to the reset potential accumulated in the capacitor unit is read out through the second amplifier circuit, and then the second switch element is 7. A control unit that further controls to read an accumulated signal corresponding to a signal charge accumulated in the charge accumulating unit through the second amplifier circuit when turned on. The solid-state image sensor of any one of Claims. 前記制御部によって読み出された前記蓄積信号から前記リセット信号を減算することによって画素信号を取得する信号処理部を備えたことを特徴とする請求項7記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 7, further comprising a signal processing unit that acquires a pixel signal by subtracting the reset signal from the accumulated signal read by the control unit. 前記第2の増幅回路の出力端子が電気的に接続される信号線に対して設けられた第2の増幅回路駆動用電流源の電流値よりも前記第1の増幅回路駆動用電流源の電流値の方が小さいことを特徴とする請求項1から8いずれか1項記載の固体撮像素子。   The current of the first amplifier circuit driving current source is larger than the current value of the second amplifier circuit driving current source provided for the signal line to which the output terminal of the second amplifier circuit is electrically connected. 9. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the value is smaller. 前記信号電荷が正孔であり、
前記読出回路が、nMOSで構成されたものであることを特徴とする請求項1から9いずれか1項記載の固体撮像素子。
The signal charge is a hole;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the readout circuit is configured by an nMOS.
前記光電変換層が、有機光電変換膜を含むものであることを特徴とする請求項1から10いずれか1項記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion layer includes an organic photoelectric conversion film. 前記有機光電変換膜が、全ての前記画素部について共通なものであることを特徴とする請求項11記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 11, wherein the organic photoelectric conversion film is common to all the pixel portions. 請求項1から12いずれか1項記載の固体撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。   An imaging apparatus comprising the solid-state imaging device according to claim 1.
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