JP2014216978A - Solid-state imaging device and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
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、固体撮像素子の高感度化、画素微細化に対応するために、シリコン基板の上方に一対の電極とこれらで挟まれた光電変換層を含む光電変換部を設け、この光電変換層で発生した電荷を上記一対の電極の一方からシリコン基板に移動させて蓄積し、この蓄積電荷に応じた信号を、シリコン基板に形成した信号読出し回路で読み出す光電変換層積層型の固体撮像素子が注目されている。 In recent years, in order to cope with high sensitivity and pixel miniaturization of solid-state imaging devices, a photoelectric conversion unit including a pair of electrodes and a photoelectric conversion layer sandwiched between these electrodes is provided above the silicon substrate, and generated in this photoelectric conversion layer A photoelectric conversion layer stacked type solid-state imaging device is drawing attention, in which a stored charge is transferred from one of the pair of electrodes to a silicon substrate and accumulated, and a signal corresponding to the accumulated charge is read by a signal readout circuit formed on the silicon substrate. ing.
このような固体撮像素子として、たとえば特許文献1には、図11に示すように、光電変換部201と、光電変換部201において発生した電荷を蓄積するフローティングディフュージョンFD(以下、単にFDという)と、FDに蓄積された電荷に対応した電圧を出力する出力トランジスタ202と、FDに蓄積された電荷をリセットするリセットトランジスタ203と、出力トランジスタ202から出力された信号を信号線に選択的に出力する選択トランジスタ204とを備えた画素部200が2次元状に多数配列された固体撮像素子が提案されている。この固体撮像素子は、FDと光電変換部201との間にトランジスタが設けられていない、いわゆる3トランジスタの構成の回路であり、FDと光電変換部201とが電気的に直接接続されたものである。
As such a solid-state imaging device, for example, in
ここで、上述したような固体撮像素子においては、画素部200の各行についてそれぞれ排出および電荷信号の読み出し動作が順次行われる。図12は、n行目〜n+2行目の画素部200の排出および電荷信号の読み出し動作のタイミングの示すものである。
Here, in the solid-state imaging device as described above, the discharge and charge signal readout operations are sequentially performed for each row of the
図12に示すように、蓄積期間の開始時には、まず、不要電荷の排出が行われる。排出は、リセットパルスRSによって画素部200のリセットトランジスタ203がオンされ、FDに蓄積された電荷がリセットされることで行われる。
As shown in FIG. 12, at the start of the accumulation period, unnecessary charges are first discharged. The discharge is performed when the
リセットトランジスタ203がオフされ、排出が完了するとこの時点からFDへの電荷の蓄積が開始する。そして、所定の電荷蓄積期間が経過した際に、画素部200に選択パルスRWが出力され、この選択パルスRWによって選択トランジスタ204がオンし、これによりFDに蓄積された電荷信号が出力トランジスタ202によって電圧信号に変換さ
れ、蓄積信号として信号線に出力される。その後、リセットトランジスタ203をオンすることで、FDがリセットされ、リセットされた後のFDの電位がリセット信号として信号線に出力される。蓄積信号とリセット信号との差分を画像信号として用いることで、固定パターンノイズの少ない画像の取得が可能となる。
When the
上述したような画素部200の行毎の排出および電荷信号の読み出し動作が、画素部200の列方向に順次走査されて行われることによって1フレームの画像信号が取得される。
As described above, the discharge operation for each row of the
ここで、上述したような固体撮像素子においては、図11に示すように、画素部の配線や基板の不純物領域などの寄生容量に起因して、異なる行の隣接する画素部200間において容量カップリングが発生してしまう。特に、画素部の微細化が進むと、画素部本来の容量が小さくなるのに加えて、レイアウトの制限も厳しくなるため、容量カップリングの影響が必然的に大きくなってしまう。
Here, in the solid-state imaging device as described above, as shown in FIG. 11, due to parasitic capacitances such as the wiring of the pixel portion and the impurity region of the substrate, the capacitance cup between
特に、上述した3トランジスタの構成では、画素ごとにFDが必要なこと、FDと光電変換部201との間にトランジスタが設けられておらず電気的に直接つながっていることから、隣接する画素部200のFD間の容量カップリングの影響が大きくなりやすい。この影響について説明する。
In particular, in the above-described three-transistor configuration, an FD is required for each pixel, and since no transistor is provided between the FD and the
図13は図11に示す固体撮像素子において、全ての画素に均一な光が入射する条件で撮像を行った場合の駆動とFD電位の時間変化を示している。実線は容量カップリングが一切ない場合の理想的なFD電位を表し、破線は容量カップリングの影響を受けた場合のFDの電位変化を表す。隣接画素のFD電位の変化に伴い、着目画素のFD電位が変化してしまうのが、容量カップリングの影響がある場合の特徴である。 FIG. 13 shows drive and FD potential change with time when imaging is performed under the condition that uniform light is incident on all pixels in the solid-state imaging device shown in FIG. The solid line represents an ideal FD potential when there is no capacitive coupling, and the broken line represents a change in the potential of the FD when affected by capacitive coupling. The change in the FD potential of the pixel of interest with the change in the FD potential of the adjacent pixel is a feature when there is an influence of capacitive coupling.
各行は図中の排出の時点でそれまでFDに蓄積していた電荷を排出し、読み出しの時点で排出から読み出しまでの蓄積期間にFDに蓄積した信号電荷を読み出す。ここで、n+1行目に注目すると、時刻t1において信号の読み出しが完了し、FDの電位が基準電位になる。その後、時刻t2において排出を行い、FDの電位を基準電位にした上で、蓄積を開始する。そして時刻t5において読み出しを行い、時刻t2から時刻t5の間にFDに蓄積した信号電荷に応じた信号を出力する。 Each row discharges charges accumulated in the FD until the time of discharge in the drawing, and reads out signal charges accumulated in the FD during the accumulation period from discharge to read at the time of reading. Here, paying attention to the (n + 1) th row, the signal reading is completed at the time t1, and the potential of the FD becomes the reference potential. Thereafter, discharging is performed at time t2, accumulation is started after the potential of FD is set to the reference potential. Then, reading is performed at time t5, and a signal corresponding to the signal charge accumulated in the FD between time t2 and time t5 is output.
一方、n行目に注目すると、時刻t2より前の時刻t3において排出を行い、蓄積を開始する。そして、時刻t2より後の時刻t4において読み出しを行う。すなわち、n行目の蓄積期間中(t3〜t4の間)にn+1行目の排出を行うことになる。 On the other hand, when attention is paid to the n-th row, discharge is performed at time t3 before time t2, and accumulation is started. Then, reading is performed at time t4 after time t2. That is, the n + 1th row is discharged during the accumulation period of the nth row (between t3 and t4).
ここでn行目とn+1行目の間の容量カップリングが大きい場合、時刻t2におけるn+1行目のFD電位の大きな変化に伴い、n行目のFD電位も変化してしまう。容量カップリングがない場合には時刻t3から時刻t4まで単調にFD電位が変化するのに対し、容量カップリングが大きい場合、時刻t3から時刻t2まで単調にFD電位が変化した後、時刻t2において電位が一旦下がり、時刻t4までその電位から信号電荷の蓄積によってFD電位が上昇することになる。このため、時刻t4においてn行目の信号を読み出す際に、実線で示した本来の信号レベルに比べて、点線で示すような本来の信号レベルよりも低い信号レベルになってしまう。 Here, when the capacitive coupling between the n-th row and the n + 1-th row is large, the FD potential of the n-th row also changes with a large change in the FD potential of the (n + 1) -th row at time t2. When there is no capacitive coupling, the FD potential changes monotonously from time t3 to time t4, whereas when the capacitive coupling is large, the FD potential changes monotonically from time t3 to time t2, and then at time t2. The potential decreases once, and the FD potential increases from the potential by accumulation of signal charges until time t4. For this reason, when the signal in the n-th row is read at time t4, the signal level is lower than the original signal level as indicated by the dotted line, compared to the original signal level indicated by the solid line.
このような信号レベルの異常は、読み出す信号に比べて排出する際の電位変化が大きいほどに目立ちやすい。このため、固体撮像素子に入射する光が大きく、フレーム期間に比べて蓄積期間が短いほどこの影響が顕著になる。この結果、信号量が小さい場合のS/Nの低下や、露光期間に対する信号の直線性(リニアリティ)の低下などの問題を引き起こす。 Such an abnormality in the signal level is more conspicuous as the potential change when discharging is larger than the signal to be read. For this reason, this effect becomes more conspicuous as the light incident on the solid-state imaging device is larger and the accumulation period is shorter than the frame period. As a result, problems such as a decrease in S / N when the signal amount is small and a decrease in signal linearity with respect to the exposure period are caused.
また、たとえば上述した固体撮像素子において、ベイヤー配列のカラーフィルタが設けられている場合には、画素部200の列方向について、赤フィルタ(R)と緑フィルタ(G)とが交互に配列された画素部の列と、青フィルタ(B)と緑フィルタ(G)とが交互に配列された画素部の列とが存在することになる。
For example, in the solid-state imaging device described above, when a Bayer color filter is provided, red filters (R) and green filters (G) are alternately arranged in the column direction of the
このような固体撮像素子に対して、R光とG光とを含むY光が照射された場合、緑フィルタが設けられた画素部200が、赤フィルタが設けられた画素部200と同じ列にある場合には、図14の上段に示すように、赤フィルタが設けられた画素部200の排出によって、緑フィルタが設けられた画素部200のFDの電位が減少し、その電荷信号G1の大きさが小さくなることになる。
When such a solid-state imaging device is irradiated with Y light including R light and G light, the
一方、緑フィルタが設けられた画素部200が、青フィルタが設けられた画素部200と同じ列にある場合には、図14の下段に示すように、青フィルタが設けられた画素部200には光が入射せず、そのFDの電位も変化しないため、青フィルタが設けられた画素部200の排出によって、緑フィルタが設けられた画素部200のFDの電位が影響を受けることはなく、上記電荷信号G1よりも大きい電荷信号G2が取得される。
On the other hand, when the
すなわち、画素部200の列によって緑フィルタが設けられた画素部200の感度が異なるためカラーバランスが本来とは異なるものとなり、適切な画像信号を取得することができない。
That is, since the sensitivity of the
また、たとえば上述した固体撮像素子においては容量カップリングに起因して残像が発生する。この影響を図15を用いて説明する。 For example, in the solid-state imaging device described above, an afterimage is generated due to capacitive coupling. This effect will be described with reference to FIG.
まず、各行の排出前までに10000個の電子がFDに蓄積されており、隣接する行のカップリング率が1%の場合について説明する。なお、カップリング率とは、隣接する画素部200のFD間の電位変化の影響度のことである。例えば、カップリング率1%の場合、隣接画素の信号が変化した際に、その1%だけ信号が変化することを表している。カップリング率は寄生容量とFDの蓄積容量との比で決まり、画素部200のサイズが小さくなるほどレイアウトの自由度が下がり、カップリング率が高くなり易いことになる。
First, a case will be described in which 10,000 electrons are accumulated in the FD before discharge of each row and the coupling rate of adjacent rows is 1%. Note that the coupling rate is the degree of influence of a potential change between FDs of
まず、n行目の排出によってn行目のFDに蓄積された10000個の電子は0個になる。しかしながら、次いで実行されるn+1行目のFDの排出により、n行目のFDは容量カップリングの影響を受けて、n+1行目のFDに蓄積されている10000個の電子が0個になるのに伴い、(0−10000)個の電子の1%の電子数に相当する電位となる。すなわち、n行目のFDは−100個の電子に相当する電位となる。そして、このあとn行目の読み出しが行われるため、n行目からは−100個の電子に相当する黒沈み残像が発生する。n+1行目についても同様に−100個の電子に相当する黒沈み残像が発生する。このように、隣接画素行間の容量カップリングに起因して蓄積電荷量×(−カップリング率)の残像が発生する。 First, 10,000 electrons accumulated in the FD of the n-th row by discharging the n-th row become zero. However, due to the subsequent discharge of the FD of the (n + 1) th row, the FD of the nth row is affected by the capacitive coupling, and 10000 electrons accumulated in the FD of the (n + 1) th row become zero. Accordingly, the potential corresponds to 1% of the number of (0-10000) electrons. That is, the FD in the nth row has a potential corresponding to −100 electrons. Then, since reading of the nth row is performed, a black sun afterimage corresponding to −100 electrons is generated from the nth row. Similarly, a black sun afterimage corresponding to −100 electrons is generated in the (n + 1) th row. In this way, an afterimage of accumulated charge amount × (−coupling ratio) occurs due to capacitive coupling between adjacent pixel rows.
そこで、上述したような隣接画素行間の容量カップリングの影響を抑制するため、たとえば特許文献2に記載されているように、各行の排出動作の前に、予備的な電荷の排出である予備排出を行うことが考えられる。以下、この予備排出を行った場合の作用について説明する。
Therefore, in order to suppress the influence of capacitive coupling between adjacent pixel rows as described above, for example, as described in
図16は、n行目の排出の前にn+1行目の予備排出を行う場合の動作タイミングを示すものである。図16に示すように、n行目の排出の前にn+1行目の予備排出を行った場合には、n+1行目の予備排出を行うことによってn+1行目の排出時におけるFDの電位変化を小さくすることができるので、n+1行目の排出がn行目の蓄積信号におよぼす影響を小さくすることができる。以下、図17を参照しながらこの影響を定量的に説明する。 FIG. 16 shows the operation timing in the case of performing preliminary discharge on the (n + 1) th row before discharge on the nth row. As shown in FIG. 16, when the n + 1th row preliminary discharge is performed before the nth row discharge, the FD potential change at the time of the n + 1th row discharge is performed by performing the n + 1th row preliminary discharge. Since the size can be reduced, the influence of the discharge of the (n + 1) th row on the accumulated signal of the nth row can be reduced. Hereinafter, this effect will be described quantitatively with reference to FIG.
まず、各行の予備排出前までに10000個の電子がFDに蓄積されており、隣接する行のカップリング率が1%の場合について説明する。 First, a case where 10,000 electrons are accumulated in the FD before the preliminary discharge of each row and the coupling rate of the adjacent row is 1% will be described.
まず、n+1行目の予備排出によってn+1行目のFDに蓄積された10000個の電子は0個になる。しかしながら、次いで実行されるn+2行目のFDの予備排出により、n+1行目のFDは容量カップリングの影響を受けて、n+2行目のFDに蓄積されている10000個の電子が0個になるのに伴い、10000個の電子の−1%の電子数に相当する電位となる。すなわち、n+1行目のFDは−100個の電子に相当する電位となる。そして、この状態において次にn+1行目の排出が行われると、この排出による容量カップリングの影響を受けて、n行目においては、n+1行目のFDに蓄積されている−100個の電子の−1%の電子数に相当する電位変動が発生する。すなわち、n行目の排出後に蓄積された電荷信号に対して電子1個に相当するオフセット電位が付加されることになる。 First, 10,000 electrons accumulated in the FD of the (n + 1) th row by the preliminary discharge of the (n + 1) th row become zero. However, due to the preliminary discharge of the FD in the n + 2 row that is executed next, the FD in the n + 1 row is affected by the capacitive coupling, and the 10000 electrons accumulated in the FD in the n + 2 row become 0. Accordingly, the potential corresponds to -1% of the number of electrons of 10,000 electrons. That is, the FD in the (n + 1) th row has a potential corresponding to −100 electrons. In this state, when the (n + 1) th row is discharged next, the −100 electrons accumulated in the FD of the (n + 1) th row are affected by the capacitive coupling due to the discharge. A potential fluctuation corresponding to -1% of the number of electrons occurs. That is, an offset potential corresponding to one electron is added to the charge signal accumulated after the nth row is discharged.
このように、カップリング率が1%程度であって比較的低い場合には、10000個の蓄積信号に対して、電子1個に相当するオフセット電位が付加されるに過ぎないので、図16に示すようなタイミングで予備排出を行うようにすれば、隣接画素行間の容量カップリングの影響を十分に抑制することができる。 In this way, when the coupling rate is about 1% and is relatively low, an offset potential corresponding to one electron is only added to 10,000 stored signals, so FIG. If preliminary discharge is performed at the timing as shown, the influence of capacitive coupling between adjacent pixel rows can be sufficiently suppressed.
しかしながら、カップリング率が比較的高い場合には、上述したオフセット電位が大きくなって問題となる場合がある。たとえばカップリング率が5%である場合について、図18を参照しながら説明する。 However, when the coupling rate is relatively high, the above-described offset potential may become large and cause a problem. For example, the case where the coupling rate is 5% will be described with reference to FIG.
まず、n+1行目の予備排出によってn+1行目のFDに蓄積された10000個の電子は0個になる。しかしながら、次いで実行されるn+2行目のFDの予備排出により、n+1行目のFDは容量カップリングの影響を受けて、n+2行目のFDに蓄積されている10000個の電子が0個になるのに伴い、10000個の電子の−5%の電子数に相当する電位となる。すなわち、n+1行目のFDは−500個の電子に相当する電位となる。そして、この状態において次にn+1行目の排出が行われると、この排出による容量カップリングの影響を受けて、n行目においては、n+1行目のFDに蓄積されている−500個の電子の−5%の電子数に相当する電位変動が発生する。すなわち、n行目の排出後に蓄積された電荷信号に対して電子25個に相当するオフセット電位が付加されることになる。一般的にノイズとして許容される範囲が電子3個に相当する電位変動であることを考えると、電子25個に相当するオフセット電位は非常に大きいものであり問題となる。 First, 10,000 electrons accumulated in the FD of the (n + 1) th row by the preliminary discharge of the (n + 1) th row become zero. However, due to the preliminary discharge of the FD in the n + 2 row that is executed next, the FD in the n + 1 row is affected by the capacitive coupling, and the 10000 electrons accumulated in the FD in the n + 2 row become 0. Accordingly, the potential corresponds to −5% of the 10,000 electrons. That is, the FD in the (n + 1) th row has a potential corresponding to −500 electrons. Then, when the (n + 1) th row is discharged in this state, -500 electrons accumulated in the FD of the (n + 1) th row are affected by the capacitive coupling due to this discharge. A potential fluctuation corresponding to -5% of the number of electrons occurs. That is, an offset potential corresponding to 25 electrons is added to the charge signal accumulated after the nth row is discharged. Considering that generally the allowable range of noise is a potential fluctuation corresponding to 3 electrons, the offset potential corresponding to 25 electrons is very large and causes a problem.
すなわち、図15に示すようにn行目の排出の前にn+1行目の予備排出を行うようにした場合でも、結果的には、本来の電荷信号に対して、「予備排出時の排出電荷量×(−カップリング率)2」がオフセットとして付加されることになり、カップリング率が高い場合には無視することができない。 That is, as shown in FIG. 15, even when the preliminary discharge of the (n + 1) th row is performed before the discharge of the nth row, as a result, the “discharged charge at the time of preliminary discharging” The quantity × (−coupling rate) 2 ”is added as an offset, and cannot be ignored when the coupling rate is high.
本発明は、上記の事情に鑑み、隣接する画素行間に形成される容量カップリングが比較的大きい場合においても、その影響を十分に抑制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, the present invention includes a solid-state imaging device capable of sufficiently suppressing the influence even when a capacitive coupling formed between adjacent pixel rows is relatively large, and the solid-state imaging device. An object is to provide an 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部と、光電変換部において発生した信号電荷を蓄積する蓄積部と、蓄積部に蓄積された信号電荷に応じた電圧を出力する出力回路とを含み、光電変換部と蓄電部と出力回路の入力ノードとが電気的に接続された画素部が二次元状に複数配列され、蓄積部に蓄積された信号電荷を排出し、その排出後、電荷蓄積期間経過時において蓄電部に蓄積された信号電荷を読み出す電荷蓄積読出動作を行順次に行うものであり、各行において排出の前に、蓄電部からの予備的な電荷の排出である予備排出を少なくとも2回行い、かつn(nは自然数)行目の排出の前に、n+1行目の第1の予備排出を行い、n行目の排出の直前に行われるn行目の第1の予備排出の前に、n+1行目の第2の予備排出を行うものであることを特徴とする。 The solid-state imaging device of the present invention includes a photoelectric conversion unit that generates a signal charge corresponding to the amount of incident light, a storage unit that stores the signal charge generated in the photoelectric conversion unit, and a signal charge stored in the storage unit. A signal charge that is stored in the storage unit, and includes a plurality of pixel units that are electrically connected to the photoelectric conversion unit, the power storage unit, and the input node of the output circuit. After the discharge, a charge accumulation read operation for reading the signal charges accumulated in the power storage unit when the charge accumulation period has elapsed is performed in a row sequence, and a preliminary operation from the power storage unit is performed before the discharge in each row. Preliminary discharge is performed at least twice, and the first preliminary discharge of the (n + 1) th row is performed before the discharge of the nth (n is a natural number) row, and the discharge is performed immediately before the discharge of the nth row. N + before the first preliminary discharge in the nth row And characterized in that performing the second preliminary discharge of row.
また、上記本発明の固体撮像素子においては、蓄電部が基準電位となるようにフィードバック制御を行うフィードバック制御回路を、画素部の列毎に設けることができる。 In the solid-state imaging device of the present invention, a feedback control circuit that performs feedback control so that the power storage unit becomes a reference potential can be provided for each column of the pixel units.
また、フィードバック制御回路を、排出、信号電荷の読み出し、第1の予備排出および第2の予備排出の際にフィードバック制御を行うものとできる。 Further, the feedback control circuit can perform feedback control at the time of discharging, reading of signal charges, first preliminary discharging, and second preliminary discharging.
また、排出、信号電荷の読み出し、第1の予備排出および第2の予備排出のうちの少なくとも1つの動作とその少なくとも1つの動作以外の動作とを、1行の走査期間内において、異なる行で異なるタイミングで行うことができる。 In addition, at least one of the discharge, the reading of signal charges, the first preliminary discharge, and the second preliminary discharge and an operation other than the at least one operation are performed in different rows within one scanning period. Can be done at different times.
また、排出、信号電荷の読み出し、第1の予備排出および第2の予備排出のタイミングを制御するためのパルス信号を出力するタイミングジェネレータを設け、タイミングジェネレータを、1行の走査期間内において、上記少なくとも1つの動作のタイミングを制御するためのパルス信号と、上記少なくとも1つの動作以外の動作のタイミングを制御するためのパルス信号とを異なるタイミングで出力するものとできる。 In addition, a timing generator that outputs a pulse signal for controlling the timing of discharge, signal charge readout, first preliminary discharge, and second preliminary discharge is provided, and the timing generator is arranged within the scanning period of one row. A pulse signal for controlling the timing of at least one operation and a pulse signal for controlling the timing of an operation other than the at least one operation can be output at different timings.
また、排出、信号電荷の読み出し、第1の予備排出および第2の予備排出のタイミングを制御するシフトレジスタを、動作毎にそれぞれ設けることができる。 In addition, a shift register for controlling the timing of discharge, signal charge reading, first preliminary discharge, and second preliminary discharge can be provided for each operation.
また、第1の予備排出または第2の予備排出の時間を、排出の時間よりも短くすることができる。 Further, the time for the first preliminary discharge or the second preliminary discharge can be made shorter than the discharge time.
また、画素部を、画素単位で区画された第1の電極と光電変換部を挟んで画素電極に対向して設けられた第2の電極とを備えたものとし、第2の電極を、全ての画素部について共通の電極とできる。 In addition, the pixel portion includes a first electrode partitioned in units of pixels and a second electrode provided to face the pixel electrode with the photoelectric conversion portion interposed therebetween. These pixel portions can be a common electrode.
また、光電変換部を、有機光電変換膜を含むものとできる。 Moreover, the photoelectric conversion part 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.
また、光電変換部からの信号電荷を正孔とすることができる。 Further, the signal charge from the photoelectric conversion unit can be a hole.
また、光電変換部からの信号電荷を電子とすることができる。 In addition, the signal charge from the photoelectric conversion unit can be an electron.
また、蓄電部に保護回路を設けることができる。 In addition, a protection circuit can be provided in the power storage unit.
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、各行において排出の前に、蓄電部からの予備的な電荷の排出である予備排出を少なくとも2回行い、かつn(nは自然数)行目の排出の前に、n+1行目の第1の予備排出を行い、n行目の排出の直前に行われるn行目の第1の予備排出の前に、n+1行目の第2の予備排出を行うようにしたので、各行の画素部の排出におけるFDの電圧変化を小さくできる。これにより、たとえばn行目とn+1行目に容量カップリングがある場合にも、n+1行目の排出の際の電圧変化が小さいため、容量カップリングによるn行目の信号の異常を低減でき、適切な画像信号を取得することができる。なお、上記予備排出の作用効果については後で詳述する。 According to the solid-state imaging device and the imaging apparatus of the present invention, preliminary discharge, which is preliminary charge discharge from the power storage unit, is performed at least twice before discharging in each row, and the nth (n is a natural number) row Before discharge, the first preliminary discharge of the (n + 1) th row is performed, and the second preliminary discharge of the (n + 1) th row is performed before the first preliminary discharge of the nth row performed immediately before the discharge of the nth row. Since this is performed, a change in voltage of the FD in discharging the pixel portion of each row can be reduced. Thereby, for example, even when there is capacitive coupling in the n-th row and the n + 1-th row, the voltage change at the discharge of the n + 1-th row is small, so that the abnormality of the signal in the n-th row due to the capacitive coupling can be reduced. An appropriate image signal can be acquired. The effect of the preliminary discharge will be described in detail later.
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。本実施形態の固体撮像素子は、後で詳述する予備排出に特徴を有するものであるが、まずは、本実施形態の固体撮像素子の構成について説明する。図1は、本実施形態の固体撮像素子を構成する画素部を示す図である。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. The solid-state imaging device of the present embodiment is characterized by preliminary discharge, which will be described in detail later. First, the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a pixel unit constituting the solid-state imaging device of the present embodiment. The solid-state imaging device of the present embodiment has a large number of
画素部10は、図1に示すように、光電変換部11と、フローティングディフュージョンFD(蓄積部に相当する)(以下、単にFDという)と、出力トランジスタ12と、リセットトランジスタ13と、選択トランジスタ14とを備えている。そして、出力トランジスタ12、リセットトランジスタ13および選択トランジスタ14は、それぞれnチャネルのMOSトランジスタで構成されている。なお、画素部10のサイズは5μm以下であることが望ましい。
As shown in FIG. 1, the
光電変換部11は、画素電極104(第1の電極に相当する)と、画素電極104に対向して設けられた対向電極108(第2の電極に相当する)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
画素電極104は、画素部10毎に区分された薄膜電極であり、たとえばITO、アルミニウム、窒化チタン、銅、タングステ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
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。
The
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
本実施形態の画素部10においては、光電変換層107で発生した電荷のうち正孔が画素電極104に移動し、電子が対向電極108に移動するように、対向電極108に対してバイアス電圧が印加される。光電変換層107が十分に高い感度を発現するように、バイアス電圧としては、読出し回路の電源電圧Vdd(図1において出力トランジスタ12のドレインに供給されている電圧、たとえば3V)よりも高い電圧(5〜20V程度、たとえば10V)を用いることが望ましい。
In the
FDは、画素電極104と電気的につながったn形不純物領域からなるものである。画素電極104に捕集された正孔の量に応じてFDの電位が変化するため、FDは電荷蓄積部として機能する。
The FD is an n-type impurity region that is electrically connected to the
出力トランジスタ12は、FDに蓄積された電荷信号を電圧信号に変換して信号線SLに出力するものである。出力トランジスタ12のゲート端子はFDに電気的に接続され、ドレイン端子は固体撮像素子の電源電圧Vddが接続されている。また、出力トランジスタ12のソース端子は選択トランジスタ14のドレイン端子に接続されている。本実施形態における画素部10は、FDと光電変換部11の画素電極104と出力トランジスタ12のゲート端子とが電気的に直接接続された、いわゆる3トランジスタ構成の回路である。
The
リセットトランジスタ13は、FD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13のドレイン端子にはFDが電気的に接続され、ソース端子にはフィードバック制御回路16が接続されている。
The
フィードバック制御回路16は、反転増幅器16aと、基準電圧RDを供給する電圧源16bとを備えている。反転増幅器16aの反転入力端子(−)に信号線SLが接続され、非反転入力端子(+)に電圧源16bが接続され、出力端子にフィードバック線FLが接続されている。また、フィードバック線FLは、リセットトランジスタ13のソース端子に接続されている。
The
リセットトランジスタ13のゲート端子に印加されるリセットパルスRSがハイレベルになると、リセットトランジスタ13がオンし、リセットトランジスタ13のソースからドレインに電子が注入される。そして、この電子の注入によってFDの電位が降下してFDの電位が基準電位にリセットされることになるが、このときFDの電位が、出力トランジスタ12、選択トランジスタ14および信号線SLを介してフィードバック制御回路16に入力される。
When the reset pulse RS applied to the gate terminal of the
そして、FDの現在の電位と電圧源16bから供給される基準電圧RDとに基づいて、フィードバック制御回路16によってFDの電位がフィードバック制御され、これによりFDの電位が一定の基準電位に維持される。このようにFDの電位をフィードバック制御することによって、リセットトランジスタ13のリセットkTCノイズを低減することができる。
Then, based on the current potential of the FD and the reference voltage RD supplied from the
フィードバック制御回路16は、画素部10の列毎に1つずつ設けられるものであり、各列に属する複数の画素部10によって共用されるものである。
One
選択トランジスタ14は、そのソース端子が信号線SLに接続されるものであり、各画素部10の出力トランジスタ12から出力される信号を列ごとに設けられた信号線SL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14のゲート端子に印加される選択パルスRWがハイレベルになると、選択トランジスタ14はオンし、これにより各画素部10の出力トランジスタ12から出力された信号が信号線SLに出力される。
The
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、以下の説明では、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-
固体撮像素子100は、図2に示すように、基板101と、絶縁層102と、接続電極103と、画素電極104と、接続部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、読出し回路116とを備えている。
As shown in FIG. 2, the solid-
基板101は、ガラス基板またはSi等の半導体基板である。基板101上には絶縁層102が形成されている。絶縁層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が形成されている。
The
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
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
接続部106は、絶縁層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、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、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
読出し回路116は、図1に示したFDと、出力トランジスタ12と、リセットトランジスタ13と、選択トランジスタ14とを備え、絶縁層102中の金属配線(図示せず)で配線されたものである。読出し回路116は、複数の画素電極104の各々に対応して基板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出すものである。なお、読出し回路116は、絶縁層102内に配置された図示しない遮光層によって遮光されている。
The
封止層110は、対向電極108を覆うように設けられている。
The
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
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
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-
画素領域には、各画素部10の出力トランジスタ12から信号が出力される信号線SLと上述したフィードバック線FLとが画素部10の列毎に設けられ、垂直ドライバ121からスイッチングパルス信号が出力される走査線GLが行毎に設けられている。そして、上述したようにフィードバック制御回路16が、画素部10の列毎に設けられている。
In the pixel region, a signal line SL for outputting a signal from the
制御部122は、タイミングジェネレータ(以下、TGという)128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における電荷信号の読み出しなどを制御するものである。
The
垂直ドライバ121は、制御部122のTG128から出力されたタイミングパルス信号に基づいて、走査線GLを介して読出し回路116に対してリセットパルスRSや選択パルスRWを出力し、読出し回路116の動作を制御するものである。
The
特に、本実施形態の垂直ドライバ121は、いわゆる従来から行われているFDにおける蓄積電荷の排出の前に、FDからの予備的な電荷の排出である予備排出を2回行うように読出し回路116を制御するものである。
In particular, the
垂直ドライバ121は、TG128から出力されたタイミングパルス信号に基づいて、電荷信号の読み出しの際の選択パルスRWおよびリセットパルスRSを出力する読み出し用シフトレジスタ130と、排出の際の選択パルスRWおよびリセットパルスRSを出力する排出用シフトレジスタ131と、第1の予備排出の際の選択パルスRWおよびリセットパルスRSを出力する第1の予備排出用シフトレジスタ132と、第2の予備排出の際の選択パルスRWおよびリセットパルスRSを出力する第2の予備排出用シフトレジスタ133とを備えている。なお、これらのシフトレジスタ130〜133から出力される選択パルスRWおよびリセットパルスRSのタイミングについては、後で詳述する。
Based on the timing pulse signal output from the
信号処理回路123は、読出し回路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
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
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
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-
本実施形態の固体撮像素子100においては、画素部10の各行についてそれぞれ第2の予備排出、第1の予備排出、排出および電荷信号の読み出し動作が順次行われる。また、画素部10の行毎の第2の予備排出、第1の予備排出、排出および電荷信号の読み出し動作が、画素部10の列方向に順次走査されて行われる。
In the solid-
図4に、本実施形態の固体撮像素子100のn行目(nは自然数)〜n+3行目における第2の予備排出、第1の予備排出、排出および電荷信号の読み出しのタイミングの一例を示す。前述したように、本実施形態の固体撮像素子100においては、n行目〜n+3行目の各行について、第2の予備排出、第1の予備排出、排出および電荷信号の読み出しを行順次で行う。
FIG. 4 shows an example of timings of second preliminary discharge, first preliminary discharge, discharge, and charge signal readout in the nth row (n is a natural number) to the n + 3th row of the solid-
ここで、上述した第2の予備排出、第1の予備排出、排出および読み出しにおける読出し回路116の具体的な動作について説明する。
Here, a specific operation of the
第2の予備排出の際には、垂直ドライバ121の第2の予備排出用シフトレジスタ133から各行に対して、第2の予備排出のためのリセットパルスRSおよび選択パルスRWが出力される。そして、このリセットパルスRSによって画素部10のリセットトランジスタ13がオンされるとともに、選択パルスRWによって画素部10の選択トランジスタ14がオンされる。これによりFDが選択トランジスタ14を介してフィードバック制御回路16に接続され、FDの電位は、フィードバック制御回路16によってフィードバック制御されて基準電位にリセットされる。
At the time of the second preliminary discharge, the reset pulse RS and the selection pulse RW for the second preliminary discharge are output from the second preliminary
次に、第1の予備排出の際には、垂直ドライバ121の第1の予備排出用シフトレジスタ132から各行に対して、第1の予備排出のためのリセットパルスRSおよび選択パルスRWが出力される。そして、第2の予備排出と同様に、リセットパルスRSによって画素部10のリセットトランジスタ13がオンされるとともに、選択パルスRWによって画素部10の選択トランジスタ14がオンされ、再びFDの電位がフィードバック制御されて基準電位にリセットされる。
Next, at the time of the first preliminary discharge, the reset pulse RS and the selection pulse RW for the first preliminary discharge are output from the first preliminary
次に、排出の際には、垂直ドライバ121の排出用シフトレジスタ131から各行に対して、排出のためのリセットパルスRSおよび選択パルスRWが出力される。そして、第1および2の予備排出と同様に、リセットパルスRSによって画素部10のリセットトランジスタ13がオンされるとともに、選択パルスRWによって画素部10の選択トランジスタ14がオンされ、これにより再びFDの電位がフィードバック制御されて基準電位にリセットされる。
Next, at the time of discharge, a discharge reset register RS and a selection pulse RW are output from the
次に、上述した排出が行われた後、所定の電荷蓄積期間が経過した際に、垂直ドライバ121の読み出し用シフトレジスタ130から各行に対して選択パルスRWが出力される。そして、この選択パルスRWによって選択トランジスタ14がオンし、これによりFDに蓄積された電荷信号が出力トランジスタ12によって電圧信号に変換されて蓄積信号として信号線SLに出力される。
Next, after a discharge is performed as described above, a selection pulse RW is output to each row from the read
その後、読み出し用シフトレジスタ130から各行に対してリセットパルスRSが出力され、このリセットパルスRSによって画素部10のリセットトランジスタ13がオンされ、再びFDの電位がフィードバック制御されて基準電位にリセットされる。そして、リセットトランジスタ13をオフにしてリセットを完了した直後の信号がリセット信号として信号線SLに出力される。信号処理回路123において蓄積信号とリセット信号との差分が算出され、この差分を画像信号として用いることで固定パターンノイズ、リセットkTCノイズとも少ない画像の取得が可能となる。
Thereafter, a reset pulse RS is output from the
なお、上述したように、本実施形態においては、第2の予備排出、第1の予備排出および排出いずれの動作でもフィードバック制御が行われるが、排出では、電荷信号にオフセットが付加されないように基準電位にできるだけ近づくようにフィードバック制御を行う必要があるのに対し、第2の予備排出または第1の予備排出は、その後に排出が行われるので、基準電位から多少はずれていても許容することができる。そこで、第2の予備排出または第1の予備排出のフィードバック制御の時間を排出のフィードバック制御の時間よりも短く設定するようにしてもよい。これにより排出の時間や読み出しの時間をより長く設定することができ、画像信号のS/Nを向上させることができる。なお、フィードバック制御の時間は、リセットパルスRSおよび選択パルスRWのオン時間を調整することによって制御することができる。 As described above, in the present embodiment, feedback control is performed in any of the second preliminary discharge, the first preliminary discharge, and the discharge, but the reference is made so that no offset is added to the charge signal in the discharge. While it is necessary to perform feedback control so as to be as close to the potential as possible, the second preliminary discharge or the first preliminary discharge is performed after that, and thus it is allowed even if it is slightly deviated from the reference potential. it can. Accordingly, the feedback control time for the second preliminary discharge or the first preliminary discharge may be set shorter than the time for the feedback control for discharge. Thereby, the discharge time and the read time can be set longer, and the S / N of the image signal can be improved. Note that the feedback control time can be controlled by adjusting the ON time of the reset pulse RS and the selection pulse RW.
次に、n行目〜n+3行目の各行における第2の予備排出、第1の予備排出、排出および電荷信号の読み出しの動作タイミングと、各行の画素部10のFDの電位変化について説明する。
Next, the second preliminary discharge, the first preliminary discharge, the discharge and the charge signal reading operation timing in each of the nth to n + 3th rows and the potential change of the FD of the
本実施形態の固体撮像素子100においては、図4に示すように、n行目の排出の前にn+1行目の第1の予備排出を行い、かつn行目の第1の予備排出の前にn+1行目の第2の予備排出を行うように制御される。また、同様に、n+1行目の排出の前にn+2行目の第1の予備排出を行い、かつn+1行目の第1の予備排出の前にn+2行目の第2の予備排出を行うように制御され、n+2行目の排出の前にn+3行目の第1の予備排出を行い、かつn+2行目の第1の予備排出の前にn+3行目の第2の予備排出を行うように制御される。
In the solid-
すなわち、所定の行の第1の予備排出と排出との間の期間に、次の行の第1の予備排出が行われ、所定の行の第1の予備排出と第2の予備排出との間の期間に、次の行の第2の予備排出が行われるように制御される。 That is, in the period between the first preliminary discharge and the discharge of a predetermined row, the first preliminary discharge of the next row is performed, and the first preliminary discharge and the second preliminary discharge of the predetermined row are Control is performed so that the second preliminary discharge of the next row is performed during the interval.
図5は、上述したように各行の各動作のタイミングを制御した場合における各行の画素部10のFDの電位変化を示したものである。
FIG. 5 shows the potential change of the FD of the
ここでは、時刻t0においてLEDによって固体撮像素子100に対して一様な光が照射され、各行の予備排出前までに10000個の電子がFDに蓄積されており、隣接する行のカップリング率が5%の場合について説明する。
Here, uniform light is irradiated to the solid-
まず、n行目の第2の予備排出によってn行目のFDに蓄積された10000個の電子は0個になる。しかしながら、次いで実行されるn+1行目のFDの第2の予備排出により、n行目のFDは容量カップリングの影響を受けて、n+1行目のFDに蓄積されている10000個の電子が0個になるのに伴い、10000個の電子の−5%の電子数に相当する電位となる。すなわち、n行目のFDは−500個の電子に相当する電位となる。 First, 10,000 electrons accumulated in the FD of the nth row by the second preliminary discharge of the nth row become zero. However, due to the second preliminary discharge of the FD of the (n + 1) th row to be executed next, the FD of the nth row is affected by the capacitive coupling, and 10000 electrons accumulated in the FD of the (n + 1) th row are reduced to 0. As the number of electrons increases, the potential corresponds to -5% of the number of electrons of 10,000 electrons. That is, the FD in the n-th row has a potential corresponding to −500 electrons.
次に、n行目の第1の予備排出によって、n行目のFDの電位は−500個の電子に相当する電位から0個の電子に相当する電位、すなわち基準電位になる。しかしながら、次いで実行されるn+1行目のFDの第1の予備排出により、n行目のFDは容量カップリングの影響を受けて、n+1行目のFDの電位が−500個の電子に相当する電位から基準電位になるのに伴い、−500個の電子の−5%の電子数に相当する電位となる。すなわち、n行目のFDは25個の電子に相当する電位となる。 Next, by the first preliminary discharge in the n-th row, the potential of the FD in the n-th row is changed from a potential corresponding to −500 electrons to a potential corresponding to 0 electrons, that is, a reference potential. However, due to the first preliminary discharge of the FD of the (n + 1) th row to be executed next, the FD of the nth row is affected by the capacitive coupling, and the potential of the FD of the (n + 1) th row corresponds to −500 electrons. As the potential changes from the potential to the reference potential, the potential corresponds to −5% of the −500 electrons. That is, the FD in the nth row has a potential corresponding to 25 electrons.
次に、n行目の排出によってn行目のFDの電位は25個の電子に相当する電位から基準電位になる。そして、この排出の開始から信号電荷の蓄積が開始される。このとき、次いで実行されるn+1行目のFDの排出により、n行目のFDは容量カップリングの影響を受けて、n+1行目のFDの電位が25個の電子に相当する電位から基準電位になるのに伴い、25個の電子の−5%の電子数に相当する電位変動が発生する。すなわち、n行目の排出後に蓄積された電荷信号に対して−1.25個の電子に相当するオフセット電位が付加されることになる。 Next, by discharging the nth row, the potential of the FD of the nth row changes from the potential corresponding to 25 electrons to the reference potential. Then, accumulation of signal charges is started from the start of the discharge. At this time, the n + 1-th row FD is discharged, and the n-th row FD is affected by the capacitive coupling, so that the potential of the n + 1-th row FD changes from the potential corresponding to 25 electrons to the reference potential. As a result, potential fluctuation corresponding to −5% of the 25 electrons occurs. That is, an offset potential corresponding to −1.25 electrons is added to the charge signal accumulated after the nth row is discharged.
このように、カップリング率が5%程度であって比較的高い場合でも、10000個の蓄積信号に対して、−1.25個の電子に相当するオフセット電位に抑制することができる。 Thus, even when the coupling rate is about 5% and relatively high, the offset potential corresponding to −1.25 electrons can be suppressed with respect to 10,000 accumulated signals.
すなわち、n行目の排出の前にn+1行目の第1の予備排出を行い、n行目の第1の予備排出の前に第2の予備排出を行うことによって、電荷信号の含まれるオフセット電位を十分に小さくすることができる。 That is, the first preliminary discharge in the (n + 1) th row is performed before the discharge in the nth row, and the second preliminary discharge is performed before the first preliminary discharge in the nth row. The potential can be made sufficiently small.
以上、n行目の画素部10のFDの電位変化を中心に説明したが、n+1行目〜n+3行目についても同様である。
The above description centered on the FD potential change of the
また、本実施形態においては、各行の排出の前に予備排出を2回行うようにしたが、2回に限らず、3回以上行うようにしてもよい。予備排出をj回行うことによって、所定のフレームの光信号電荷の容量カップリングの影響を(−カップリング率)(j+1)とすることができる。たとえば、フレームの光信号電荷が100000個の電子に相当する大きさであり、カップリング率が10%であっても、4回の予備排出を行うようにした場合には、100000×(−0.1)5=−1となり、−1個の電子に相当するオフセット電位に抑制することができる。 In the present embodiment, the preliminary discharge is performed twice before the discharge of each row. However, the preliminary discharge is not limited to two times, and may be performed three times or more. By performing preliminary discharge j times, the influence of the capacitive coupling of the optical signal charge of a predetermined frame can be set to (−coupling ratio) (j + 1) . For example, if the optical signal charge of the frame is a size corresponding to 100,000 electrons and the coupling rate is 10%, if preliminary discharge is performed four times, 100,000 × (−0 .1) 5 = −1, which can be suppressed to an offset potential corresponding to −1 electron.
このように、本発明は、カップリング率が高くなるほど効果が大きく、特に、画素部10のサイズを5μm以下とした場合には、カップリング率が無視できないほど大きくなるので、本発明の効果が顕著である。
As described above, the effect of the present invention increases as the coupling rate increases. In particular, when the size of the
また、上述したように固体撮像素子に対してベイヤー配列などのカラーフィルタを設けた場合でも、画素部の列によって緑フィルタが設けられた画素部の感度が異なるようなことがないので、適切なカラーバランスの画像信号を取得することができる。 In addition, even when a color filter such as a Bayer array is provided for the solid-state imaging device as described above, the sensitivity of the pixel unit provided with the green filter does not differ depending on the column of the pixel unit. Color balance image signals can be acquired.
次に、上述したように第2の予備排出、第1の予備排出、排出および読み出しを行うための制御部122のTG128の動作について説明する。TG128は、各行の第2の予備排出、第1の予備排出、排出および読み出しのタイミングに合わせてパルス信号を周期的に出力するものである。そして、上述したように、TG128から出力されたパルス信号は、読み出し用シフトレジスタ130、排出用シフトレジスタ131、第1の予備排出用シフトレジスタ132および第2の予備排出用シフトレジスタ133に入力され、各シフトレジスタは、入力されたパルス信号に基づいて予め設定されたタイミングでリセットパルスRSや選択パルスRWを各行に出力するものである。
Next, the operation of the
図6は、TG128から出力されるパルス信号とn−1行〜n+1行の各行における動作タイミングとの関係を示すものである。なお、図6では、上段の左から右に向かって時間が経過した後、下段の左から右に向かって時間が経過するものとする。
FIG. 6 shows the relationship between the pulse signal output from the
図6に示すように、TG128は、たとえば、第2の予備排出用パルス信号PR2と、第1の予備排出用パルス信号PR1と、排出用パルス信号Rと、読み出し用パルス信号Sとをこの順に出力する。そして、この4種類のパルス信号は各走査期間の間に出力されて各シフトレジスタに入力され、各シフトレジスタは、入力されたパルス信号と予め設定されたタイミングとの論理積のタイミングで各行にリセットパルスRSや選択パルスRWを出力する。
As shown in FIG. 6, the
本実施形態においては、動作毎のシフトレジスタを設けるようにしているので、1走査期間の間に複数行のタイミングが異なる動作を並行して行うことができる。 In this embodiment, since a shift register is provided for each operation, operations having different timings for a plurality of rows can be performed in parallel during one scanning period.
また、図6では、第2の予備排出用パルス信号PR2、第1の予備排出用パルス信号PR1、排出用パルス信号Rおよび読み出し用パルス信号Sをこの順でTG128から出力するようにしたが、必ずしもこの順に限られるものではない。図7は、その他の順番でTG128から4種類のパルス信号を出力させた場合の一例である。図7においては、TG128は、読み出し用パルス信号S、排出用パルス信号R、第1の予備排出用パルス信号PR1および第2の予備排出用パルス信号PR2の順で出力する。すなわち、図7は、図6に示す例とは逆の順で4種類のパルス信号をTG128から出力させた場合の例である。図7に示す例においても、上述したように、各シフトレジスタが、入力されたパルス信号と予め設定されたタイミングとの論理積のタイミングで各行にリセットパルスRSや選択パルスRWを出力するが、この場合も必ず、各行の動作は、第2の予備排出、第1の予備排出、排出および読み出しの順で行わる。そして、さらに、n行目の排出の前にn+1行目の第1の予備排出が行われ、かつn行目の第1の予備排出の前にn+1行目の第2の予備排出が行われるように各シフトレジスタにタイミングがそれぞれ設定される。
In FIG. 6, the second preliminary ejection pulse signal PR2, the first preliminary ejection pulse signal PR1, the ejection pulse signal R, and the readout pulse signal S are output from the
なお、TG128から出力される4種類のパルス信号の出力順は、図6および図7に示す順だけでなく、その他の順としてもよい。また、図6および図7に示す例では、TG128が、4種類のパルス信号を全て異なるタイミングで出力するようにしたが、これに限らず、4種類のパルス信号のうちの少なくとも1つのパルス信号が他のパルス信号のタイミングとは異なるタイミングで出力するようにすればよい。これにより、上述したように1走査期間の間に複数行のタイミングが異なる動作を並行して行うことができる。ただし、この場合も、各行の動作は、第2の予備排出、第1の予備排出、排出および読み出しの順で行われ、さらに、n行目の排出の前にn+1行目の第1の予備排出が行われ、かつn行目の第1の予備排出の前にn+1行目の第2の予備排出が行われるように各シフトレジスタにタイミングがそれぞれ設定される。
Note that the output order of the four types of pulse signals output from the
また、本実施形態の固体撮像素子100においては、各画素部10の読出し回路を画素部列方向について周期性を有するパターンでレイアウトするようにしてもよい。
In the solid-
たとえば、画素部10の読出し回路を鏡像関係でレイアウトした場合、読出し回路は列方向について2行周期のパターンでレイアウトされることになり、隣接する画素間のカップリング容量も2行周期になる。
For example, when the readout circuit of the
すなわち、図8に示す模式図のように、たとえばn行目(奇数行)とn+1行目(偶数行)の画素部10間の容量カップリングが相対的に大きくなり、n+1行目(偶数行)とn+2行目(奇数行)の画素部10間の容量カップリングが相対的に小さくなる。また、n+2行目(奇数行)とn+3行目(偶数行)の画素部10間の容量カップリングが相対的に大きくなる。
That is, as shown in the schematic diagram of FIG. 8, for example, the capacitive coupling between the
このような構成において、上述した予備排出を行うことなく、従来のように排出のみを行う場合のFDの電位変化を示したのが図9である。全ての画素に均一な光が入射する条件で撮像を行った場合の駆動とFD電位の時間変化を示している。図9における実線は容量カップリングが全くない場合の理想的な電位変化を示し、点線が実際の電位変化を示している。図8に示す容量カップリングの大きさに従って、図9に示すように、n+1行目の排出がn行目の画素部10のFDの電位に及ぼす影響とn+3行目の排出がn+2行目の画素部10のFDの電位に及ぼす影響は大きいが、n+2行目の排出がn+1行目の画素部10のFDの電位に及ぼす影響は小さいことになる。この結果、偶数行であるn+1行目およびn+3行目は容量カップリングがない場合とほぼ等しい出力が得られるのに対し、奇数行であるn行目およびn+2行目は容量カップリングがない場合とは大きく異なる出力になる。すなわち、n行目〜n+3行目までの画素部10に対して均一な光が入射したとしても、奇数行の画素部10と偶数行の画素部10とで読み出される電荷信号の大きさが異なり、読み出された画像上に1行おきの横筋が発生してしまう。
FIG. 9 shows the potential change of the FD when only discharging is performed as in the prior art without performing the preliminary discharging described above in such a configuration. The figure shows the time variation of the drive and FD potential when imaging is performed under conditions where uniform light is incident on all pixels. A solid line in FIG. 9 indicates an ideal potential change when there is no capacitive coupling, and a dotted line indicates an actual potential change. According to the magnitude of the capacitive coupling shown in FIG. 8, as shown in FIG. 9, the influence of the discharge of the (n + 1) th row on the potential of the FD of the
これに対し、上記実施形態の固体撮像素子において説明したようなタイミングで第1および第2の予備排出を行うようにすれば、上述した容量カップリングの影響を抑制することができるので、横筋の発生を防止することができる。 On the other hand, if the first and second preliminary discharges are performed at the timing described in the solid-state imaging device of the above embodiment, the influence of the capacitive coupling described above can be suppressed. Occurrence can be prevented.
また、画素部10の読出し回路は、2行周期に限らず、たとえば3行周期や4行周期のパターンでレイアウトするようにしてもよい。要するに、列方向に隣接する画素間に形成される容量カップリングが、列方向について周期的に変化するようなパターンであれば如何なる周期構造でレイアウトしてもよく、このようにレイアウトされた場合、本発明の効果が顕著となる。
Further, the readout circuit of the
また、上記実施形態の固体撮像素子100においては、リセットトランジスタ13、出力トランジスタ12および選択トランジスタ14をnチャネルMOSトランジスタから構成し、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、リセットトランジスタ13、出力トランジスタ12および選択トランジスタ14をpチャネルMOSトランジスタから構成するようにし、画素電極104で電子を捕集し、その電子の量に応じた電荷信号を、pチャネルMOSトランジスタで構成された信号読出し回路116で読み出すようにしてもよい。
In the solid-
上記実施形態のように画素電極104で正孔を捕集し、これをnチャネルMOSトランジスタで構成された信号読出し回路116で読み出す構成としたり、もしくは上述したように画素電極104で電子を捕集し、これをpチャネルMOSトランジスタで構成された信号読出し回路116で読み出す構成とした場合、画素電極によって電子を捕集し、これをnチャネルMOSトランジスタで構成された信号読出し回路によって読み出す構成とした場合と比較すると、FDの電圧振幅が大きい。このため、第1および第2の予備排出を行わない場合の排出時のFDの電位変化が大きいため、容量カップリングが隣接画素のFDの信号電荷に与える影響も大きいので、上述した第1および第2の予備排出の効果をより顕著に得ることができる。
As described in the above embodiment, holes are collected by the
ただし、このような構成の場合、FDの電位が上昇し過ぎて回路が破壊される可能性があるため、図10に示すように、FDに保護回路17を設けた構成としても良い。読出し回路116の構成部品が多くなるため、カップリング率が大きくなるが、本実施形態によればカップリング率による画質の低下を抑制できるので問題ない。
However, in such a configuration, the potential of the FD may increase too much and the circuit may be destroyed. Therefore, as shown in FIG. 10, a configuration in which the
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 出力トランジスタ
13 リセットトランジスタ
14 選択トランジスタ
16 フィードバック制御回路
16a 反転増幅器
16b 電圧源
17 保護回路
100 固体撮像素子
104 画素電極
107 光電変換層
108 対向電極
111 カラーフィルタ
121 垂直ドライバ
122 制御部
124 水平ドライバ
128 タイミングジェネレータ
130 読み出し用シフトレジスタ
131 排出用シフトレジスタ
132 第1の予備排出用シフトレジスタ
133 第2の予備排出用シフトレジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記蓄積部に蓄積された信号電荷を排出し、該排出後、電荷蓄積期間経過時において前記蓄電部に蓄積された信号電荷を読み出す電荷蓄積読出動作を行順次に行うものであり、
各行において前記排出の前に、前記蓄電部からの予備的な電荷の排出である予備排出を少なくとも2回行い、
かつn(nは自然数)行目の前記排出の前に、n+1行目の第1の前記予備排出を行い、前記n行目の排出の直前に行われる前記n行目の第1の前記予備排出の前に、前記n+1行目の第2の前記予備排出を行うものであることを特徴とする固体撮像素子。 A photoelectric conversion unit that generates a signal charge corresponding to the amount of incident light, a storage unit that stores the signal charge generated in the photoelectric conversion unit, and an output that outputs a voltage corresponding to the signal charge stored in the storage unit A plurality of pixel units that are electrically connected to the photoelectric conversion unit, the power storage unit, and an input node of the output circuit,
Discharging the signal charges accumulated in the accumulating unit, and performing the charge accumulating / reading operation for sequentially reading out the signal charges accumulated in the accumulating unit when the charge accumulating period has elapsed after the ejection,
Before each discharge in each row, at least twice a preliminary discharge, which is a preliminary charge discharge from the power storage unit,
In addition, before the discharge of the nth (n is a natural number) row, the first preliminary discharge of the (n + 1) th row is performed, and the first reserve of the nth row performed immediately before the discharge of the nth row A solid-state imaging device characterized in that the second preliminary discharge in the (n + 1) th row is performed before discharge.
該タイミングジェネレータが、1行の走査期間内において、前記少なくとも1つの動作のタイミングを制御するためのパルス信号と、該少なくとも1つの動作以外の動作のタイミングを制御するためのパルス信号とを異なるタイミングで出力するものであることを特徴とする請求項4記載の固体撮像素子。 A timing generator for outputting a pulse signal for controlling the timing of the discharge, reading of the signal charge, the first preliminary discharge and the second preliminary discharge;
The timing generator uses different timings for the pulse signal for controlling the timing of the at least one operation and the pulse signal for controlling the timing of the operation other than the at least one operation within a scanning period of one row. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the solid-state imaging device outputs the signal.
前記第2の電極が、全ての前記画素部について共通の電極であることを特徴とする請求項1から7いずれか1項記載の固体撮像素子。 The pixel unit includes a first electrode partitioned in pixel units and a second electrode provided to face the pixel electrode with the photoelectric conversion unit interposed therebetween,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second electrode is a common electrode for all the pixel portions.
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