JP2015115743A - Photoelectric conversion device and photoelectric conversion array - Google Patents

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克彦 愛須
Katsuhiko Aisu
克彦 愛須
宝昭 根来
Takaaki Negoro
宝昭 根来
中谷 寧一
Yasukazu Nakatani
寧一 中谷
和洋 米田
Kazuhiro Yoneda
和洋 米田
勝之 桜野
Katsuyuki Ono
勝之 桜野
渡辺 博文
Hirobumi Watanabe
博文 渡辺
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion device capable of securing the simultaneity of data with high sensitivity.SOLUTION: A photoelectric conversion device includes: a phototransistor for detecting light intensity, and for outputting currents in accordance with the light intensity; a first charge accumulation part for accumulating currents as electric charge; a first switch element for controlling the connection of the phototransistor with the first charge accumulation part by opening/closing; a second charge accumulation part to which the electric charge is transferred from the first charge accumulation part; a second switch element for controlling the connection of the first charge accumulation part with the second charge accumulation part by opening/closing; a source follower for buffering the potential of the second charge accumulation part; a third switch element for resetting the potential of the first charge accumulation part; a fourth switch element for resetting the potential of the second charge accumulation part; an output line for outputting the potential of the source follower; and a fifth switch element for controlling the connection of the source follower with the output line by opening/closing.

Description

本発明は、光電変換装置及び光電変換アレイに関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device and a photoelectric conversion array.

従来より、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサでは、グローバルシャッタ方式が、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサでは、ローリングシャッタ方式が、採用されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a CCD (Charge Coupled Device) image sensor employs a global shutter system, and a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor employs a rolling shutter system.

増幅形光電変換素子と選択素子とで光電変換セルを構成し、外部雑音及びミラー効果による遅れ等を低減させることで、高感度化を図った光電変換セル及び2次元アレイが開示されている(例えば、特許文献1参照)。   A photoelectric conversion cell and a two-dimensional array are disclosed in which a photoelectric conversion cell is composed of an amplification type photoelectric conversion element and a selection element, and the delay due to external noise and mirror effect is reduced, thereby achieving high sensitivity. For example, see Patent Document 1).

光電変換素子として、フォトダイオードを使用し、全画素一斉に信号電荷の初期化と蓄積電荷の読み出しを行うことで、ノイズや残像を低減させたCMOSイメージセンサが開示されている(例えば、特許文献2参照)。   There has been disclosed a CMOS image sensor using a photodiode as a photoelectric conversion element to reduce noise and afterimages by initializing signal charges and reading accumulated charges all at once (for example, Patent Documents). 2).

光電変換素子として、増幅機能を有するフォトトランジスタを使用したイメージセンサは、CMOSイメージセンサやCCDイメージセンサと比較して高感度である。通常、該イメージセンサでは、画素セル内に電荷蓄積部(フォトトランジスタのベースノード)が1つのみ設けられるため(図1参照)、ローリングシャッタ方式が、採用される。   An image sensor using a phototransistor having an amplification function as a photoelectric conversion element has higher sensitivity than a CMOS image sensor or a CCD image sensor. Usually, in the image sensor, since only one charge storage portion (a base node of a phototransistor) is provided in a pixel cell (see FIG. 1), a rolling shutter system is employed.

しかしながら、ローリングシャッタ方式は、高速で動作する被写体を撮像する際に、画像に歪を生じさせてしまう。   However, the rolling shutter system causes distortion in the image when imaging a subject that operates at high speed.

特許文献1に記載の光電変換アレイは、グローバルシャッタ方式で動作させることができない。   The photoelectric conversion array described in Patent Document 1 cannot be operated by the global shutter method.

特許文献2に記載のイメージセンサは、グローバルシャッタ方式で動作させることができるが、光電変換素子として、フォトダイオードを使用しているため、高感度化を図り難い。   Although the image sensor described in Patent Document 2 can be operated by a global shutter system, it is difficult to achieve high sensitivity because a photodiode is used as a photoelectric conversion element.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高感度で、且つデータの同時性を確保できる光電変換装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that is highly sensitive and can ensure data simultaneity.

本実施の形態の光電変換装置は、光強度を検出し、光強度に応じて電流を出力するフォトトランジスタと、電流を、電荷として蓄積する第1の電荷蓄積部と、フォトトランジスタと第1の電荷蓄積部との接続を開閉により制御する第1のスイッチ素子と、第1の電荷蓄積部から電荷が転送される第2の電荷蓄積部と、第1の電荷蓄積部と第2の電荷蓄積部との接続を開閉により制御する第2のスイッチ素子と、第2の電荷蓄積部の電位をバッファするソースフォロアと、第1の電荷蓄積部の電位をリセットする第3のスイッチ素子と、第2の電荷蓄積部の電位をリセットする第4のスイッチ素子と、ソースフォロアの電位を出力する出力線と、ソースフォロアと出力線との接続を開閉により制御する第5のスイッチ素子と、を有することを要件とする。   The photoelectric conversion device of this embodiment includes a phototransistor that detects light intensity and outputs a current according to the light intensity, a first charge accumulation unit that accumulates current as a charge, a phototransistor, and a first transistor A first switch element for controlling connection with the charge accumulation unit by opening and closing; a second charge accumulation unit to which charges are transferred from the first charge accumulation unit; the first charge accumulation unit and the second charge accumulation A second switch element that controls the connection with the first and second sections by opening and closing; a source follower that buffers the potential of the second charge storage section; a third switch element that resets the potential of the first charge storage section; And a fourth switch element that resets the potential of the charge storage unit, an output line that outputs the potential of the source follower, and a fifth switch element that controls connection between the source follower and the output line by opening and closing. Need it To.

本実施の形態によれば、高感度で、且つデータの同時性を確保できる光電変換装置を提供することができる。   According to this embodiment, it is possible to provide a photoelectric conversion device that has high sensitivity and can ensure data simultaneity.

従来のフォトトランジスタを用いた画素セルを例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the pixel cell using the conventional phototransistor. 本実施の形態に係る光電変換装置を例示する図である。It is a figure which illustrates the photoelectric conversion apparatus which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る光電変換装置の電荷蓄積部を例示する図である。It is a figure which illustrates the electric charge storage part of the photoelectric conversion apparatus which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る光電変換アレイを例示する図である。It is a figure which illustrates the photoelectric conversion array which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る光電変換装置のタイミングチャートの一例である。It is an example of the timing chart of the photoelectric conversion apparatus which concerns on this Embodiment.

以下、図面及び表を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings and tables. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.

<光電変換装置の構成>
図2を用いて、本実施の形態に係る光電変換装置(画素セル)100の構成の一例について説明する。光電変換装置100は、光電変換素子としてフォトトランジスタを用いている。
<Configuration of photoelectric conversion device>
An example of the configuration of the photoelectric conversion device (pixel cell) 100 according to this embodiment will be described with reference to FIG. The photoelectric conversion device 100 uses a phototransistor as a photoelectric conversion element.

図2に示す様に、光電変換装置100は、フォトトランジスタ101、電荷蓄積部102、電荷蓄積部103、ソースフォロア104、スイッチ素子111、スイッチ素子112、スイッチ素子113、スイッチ素子114、スイッチ素子115、制御線121、制御線122、制御線123、制御線124、制御線125、電源線131、電源線132、出力線141を含む。電荷蓄積部102は、ノードAを含み、電荷蓄積部103は、ノードBを含む。   As shown in FIG. 2, the photoelectric conversion device 100 includes a phototransistor 101, a charge storage unit 102, a charge storage unit 103, a source follower 104, a switch element 111, a switch element 112, a switch element 113, a switch element 114, and a switch element 115. , Control line 121, control line 122, control line 123, control line 124, control line 125, power supply line 131, power supply line 132, and output line 141. The charge storage unit 102 includes a node A, and the charge storage unit 103 includes a node B.

ノードAは、スイッチ素子111と、スイッチ素子112と、スイッチ素子113とを接続する端子である。ノードBは、スイッチ素子112と、スイッチ素子114と、ソースフォロア104とを接続する端子である。   The node A is a terminal that connects the switch element 111, the switch element 112, and the switch element 113. The node B is a terminal that connects the switch element 112, the switch element 114, and the source follower 104.

電源線131には、高電源電位(例えば、3.3V)が供給され、電源線132には、低電源電位(例えば、0V)が供給される。   The power supply line 131 is supplied with a high power supply potential (eg, 3.3 V), and the power supply line 132 is supplied with a low power supply potential (eg, 0 V).

フォトトランジスタ101は、光200(図中矢印)の強度を検出し、光強度に応じて電流(光電流)を増幅して出力する光電変換素子である。一般的に、フォトトランジスタは、50倍〜500倍程度の増幅機能を有する。   The phototransistor 101 is a photoelectric conversion element that detects the intensity of light 200 (arrow in the figure), amplifies a current (photocurrent) according to the light intensity, and outputs the amplified current. Generally, a phototransistor has an amplification function of about 50 to 500 times.

フォトトランジスタ101の出力電流は、光強度に対して、リニアな関数で変化しても良いし、光強度に対して、ある関数(例えば、指数関数、累乗関数等)で変化しても良い。例えば、光強度が7桁のレンジで変化する際、出力電流が4桁のレンジで変化する関数であれば、後段のダイナミックレンジが4桁しかなくても、7桁分の光強度情報を扱うことが可能になる。   The output current of the phototransistor 101 may change with a linear function with respect to the light intensity, or may change with a certain function (for example, exponential function, power function, etc.) with respect to the light intensity. For example, when the light intensity changes in a 7-digit range, if the output current changes in a 4-digit range, 7-digit light intensity information is handled even if the subsequent dynamic range is only 4 digits. It becomes possible.

フォトトランジスタの増幅機能(50倍〜500倍程度)は、フォトダイオードの増幅機能(一桁倍〜10倍程度)と比較して、50倍程度大きい。従って、光電変換素子としてフォトランジスタを使用したイメージセンサは、光電変換素子としてフォトダイオードを使用したイメージセンサ(例えば、通常のCMOSイメージセンサ、及びCCDイメージセンサ)と比較して、高感度になる。   The amplification function (about 50 to 500 times) of the phototransistor is about 50 times larger than the amplification function (about one digit to 10 times) of the photodiode. Therefore, an image sensor using a phototransistor as a photoelectric conversion element has higher sensitivity than an image sensor using a photodiode as a photoelectric conversion element (for example, a normal CMOS image sensor and a CCD image sensor).

なお、図2では、光電変換素子としてフォトトランジスタ単一の構成を示しているが、光電変換素子の構成は、特に限定されない。例えば、フォトトランジスタに、バイポーラトランジスタ、フォト電界効果トランジスタ、電界効果トランジスタ、ダイオード等を組み合わせ、光電変換素子を複数の構成としても良い。いずれの場合であっても、光電変換素子に増幅機能を有する素子を含めることで、光電変換装置100の高感度化を図ることができる。   Note that although FIG. 2 shows a single phototransistor configuration as the photoelectric conversion element, the configuration of the photoelectric conversion element is not particularly limited. For example, a bipolar transistor, a photo field effect transistor, a field effect transistor, a diode, or the like may be combined with the phototransistor to form a plurality of photoelectric conversion elements. In any case, it is possible to increase the sensitivity of the photoelectric conversion device 100 by including an element having an amplification function in the photoelectric conversion element.

電荷蓄積部102は、スイッチ素子111を介して、フォトトランジスタ101から出力される電流を、電荷として蓄積する。電荷蓄積部103は、スイッチ素子112を介して、電荷蓄積部102から転送される電荷を蓄積する。光電変換装置100には、複数の電荷蓄積部(電荷蓄積部102、電荷蓄積部103)が設けられている。   The charge storage unit 102 stores the current output from the phototransistor 101 via the switch element 111 as a charge. The charge storage unit 103 stores the charge transferred from the charge storage unit 102 via the switch element 112. The photoelectric conversion device 100 is provided with a plurality of charge storage units (a charge storage unit 102 and a charge storage unit 103).

ここで、ノードAを含む電荷蓄積部102、及びノードBを含む電荷蓄積部103に、電荷を蓄積できる理由について説明する。図3は、各スイッチ素子及びソースフォロアのトランジスタに存在する寄生容量を、模式的に示した図である。   Here, the reason why charges can be stored in the charge storage unit 102 including the node A and the charge storage unit 103 including the node B will be described. FIG. 3 is a diagram schematically showing parasitic capacitances existing in each switch element and source follower transistor.

図3(A)に示す様に、トランジスタのソース−バックゲート間には、寄生容量α1ができる。これは、PNジャンクションに存在する寄生容量である(図3(B)参照)。   As shown in FIG. 3A, a parasitic capacitance α1 is formed between the source and back gate of the transistor. This is a parasitic capacitance present in the PN junction (see FIG. 3B).

図3(A)に示す様に、トランジスタのドレイン−バックゲート間には、寄生容量α2ができる。これは、PNジャンクションに存在する寄生容量である(図3(B)参照)。   As shown in FIG. 3A, a parasitic capacitance α2 is formed between the drain and back gate of the transistor. This is a parasitic capacitance present in the PN junction (see FIG. 3B).

図3(A)に示す様に、トランジスタのゲート−バックゲート間には、寄生容量α3ができる(図3(B)参照)。   As shown in FIG. 3A, a parasitic capacitance α3 is formed between the gate and the back gate of the transistor (see FIG. 3B).

図3(A)に示す様に、トランジスタのソース−ゲート間には、寄生容量α4ができる。これは、ソースとゲートとがオーバーラップする部分に存在する寄生容量である(図3(B)参照)。   As shown in FIG. 3A, a parasitic capacitance α4 is formed between the source and gate of the transistor. This is a parasitic capacitance that exists in a portion where the source and the gate overlap (see FIG. 3B).

図3(A)に示す様に、トランジスタのドレイン−ゲート間には、寄生容量α5ができる。これは、ドレインとゲートとがオーバーラップする部分に存在する寄生容量である(図3(B)参照)。   As shown in FIG. 3A, a parasitic capacitance α5 is formed between the drain and gate of the transistor. This is a parasitic capacitance that exists in a portion where the drain and the gate overlap (see FIG. 3B).

図3から明らかな様に、トランジスタには、上記の寄生容量α1〜α5が存在する。更に、配線容量等も、寄生容量として付加される。従って、ノードA及びノードBには、これら全ての寄生容量がぶら下がることになり、これらの寄生容量には、電荷が蓄積される。   As apparent from FIG. 3, the parasitic capacitances α1 to α5 exist in the transistor. Furthermore, wiring capacitance and the like are added as parasitic capacitance. Accordingly, all of these parasitic capacitances hang from the node A and the node B, and charges are accumulated in these parasitic capacitances.

この様な理由から、ノードAを含む電荷蓄積部102、及びノードBを含む電荷蓄積部103に、電荷を蓄積することができる(ノードA(B)は電荷蓄積部102(103)と等価)。   For this reason, charges can be stored in the charge storage unit 102 including the node A and the charge storage unit 103 including the node B (the node A (B) is equivalent to the charge storage unit 102 (103)). .

なお、本明細書では、ノードA及びノードBに、寄生容量が存在する場合について説明したが、意図的に、ノードA及びノードBに容量素子を付加しても良い。   Note that in this specification, the case where parasitic capacitance exists in the node A and the node B has been described, but a capacitor may be added to the node A and the node B intentionally.

上述の様に、光電変換装置100には、複数の電荷蓄積部が設けられている。つまり、光電変換装置100には、露光電荷を蓄積する部分(電荷蓄積部102)と、読出し電荷を保持する部分(電荷蓄積部103)とが、別々に設けられている。このため、出力信号を読出し中であっても、読出し動作と並行して、露光動作を行うことが可能になる。従って、光電変換装置100が2次元アレイ状に配置される光電変換アレイを、通常のCCDイメージセンサと同様に、グローバルシャッタ方式で動作させることができる。   As described above, the photoelectric conversion device 100 is provided with a plurality of charge storage units. That is, the photoelectric conversion device 100 is provided with a portion for storing the exposure charge (charge storage portion 102) and a portion for holding the readout charge (charge storage portion 103) separately. For this reason, even when the output signal is being read, the exposure operation can be performed in parallel with the read operation. Therefore, the photoelectric conversion array in which the photoelectric conversion devices 100 are arranged in a two-dimensional array can be operated by the global shutter method as in a normal CCD image sensor.

ソースフォロア104は、電荷蓄積部103の電位変動を抑制する。電荷蓄積部103の電位変動が抑制されることで、元の情報は保持される。又、電荷蓄積部103に、ソースフォロア104を接続することで、出力線141(大きな負荷が付いている)を低インピーダンスで駆動させることも可能になる。   The source follower 104 suppresses the potential fluctuation of the charge storage unit 103. The original information is retained by suppressing the potential fluctuation of the charge storage unit 103. Further, by connecting the source follower 104 to the charge storage unit 103, the output line 141 (with a large load) can be driven with a low impedance.

スイッチ素子111は、フォトトランジスタ101と、電荷蓄積部102との間の接続/非接続を、開閉により制御する。スイッチ素子111がオンであれば、フォトトランジスタ101から出力される電流は、電荷蓄積部102に電荷として蓄積される。一方、スイッチ素子111がオフであれば、フォトトランジスタ101から出力される電流は、電荷蓄積部102へ到達しない。   The switch element 111 controls connection / disconnection between the phototransistor 101 and the charge storage unit 102 by opening and closing. If the switch element 111 is on, the current output from the phototransistor 101 is stored as a charge in the charge storage unit 102. On the other hand, if the switch element 111 is off, the current output from the phototransistor 101 does not reach the charge storage unit 102.

スイッチ素子112は、電荷蓄積部102と、電荷蓄積部103との間の接続/非接続を、開閉により制御する。スイッチ素子112がオンであれば、電荷蓄積部102に蓄積された電荷は、電荷蓄積部103へ転送される。一方、スイッチ素子112がオフであれば、電荷蓄積部102に蓄積された電荷は、電荷蓄積部103へ転送されない。   The switch element 112 controls connection / disconnection between the charge storage unit 102 and the charge storage unit 103 by opening and closing. If the switch element 112 is on, the charge accumulated in the charge accumulation unit 102 is transferred to the charge accumulation unit 103. On the other hand, if the switch element 112 is off, the charge accumulated in the charge accumulation unit 102 is not transferred to the charge accumulation unit 103.

つまり、スイッチ素子112の開閉を制御することで、電荷蓄積部102から電荷蓄積部103へ転送される電荷を、適切に制御することができる。   That is, by controlling the opening and closing of the switch element 112, the charge transferred from the charge accumulation unit 102 to the charge accumulation unit 103 can be appropriately controlled.

スイッチ素子113は、制御線122及び電源線132と、電荷蓄積部102との間の接続/非接続を、開閉により制御する。スイッチ素子113がオンであれば、電源線132の電位は電荷蓄積部102へ供給される。一方、スイッチ素子113がオフであれば、電源線132の電位は電荷蓄積部102へ供給されない。例えば、制御線122の制御信号がハイレベル、電源線132の電位が0Vである場合、電荷蓄積部102(ノードA)の電位は、リセットされる。   The switch element 113 controls connection / disconnection between the control line 122 and the power supply line 132 and the charge storage unit 102 by opening and closing. If the switch element 113 is on, the potential of the power supply line 132 is supplied to the charge storage unit 102. On the other hand, if the switch element 113 is off, the potential of the power supply line 132 is not supplied to the charge storage unit 102. For example, when the control signal of the control line 122 is at a high level and the potential of the power supply line 132 is 0 V, the potential of the charge storage unit 102 (node A) is reset.

スイッチ素子114は、制御線123及び電源線132と、電荷蓄積部103との間の接続/非接続を、開閉により制御する。スイッチ素子114がオンであれば、電源線132の電位は電荷蓄積部103へ供給される。一方、スイッチ素子114がオフであれば、電源線132の電位は電荷蓄積部103へ供給されない。例えば、制御線123の制御信号がハイレベル、電源線132の電位が0Vである場合、電荷蓄積部103(ノードB)の電位は、リセットされる。   The switch element 114 controls connection / disconnection between the control line 123 and the power supply line 132 and the charge storage unit 103 by opening and closing. If the switch element 114 is on, the potential of the power supply line 132 is supplied to the charge storage unit 103. On the other hand, if the switch element 114 is off, the potential of the power supply line 132 is not supplied to the charge storage unit 103. For example, when the control signal of the control line 123 is at a high level and the potential of the power supply line 132 is 0 V, the potential of the charge storage unit 103 (node B) is reset.

スイッチ素子115は、ソースフォロア104と、出力線141との間の接続/非接続を、開閉により制御する。スイッチ素子115がオンであれば、ソースフォロア104から出力される出力信号(電位)は、出力線141へ入力される。一方、スイッチ素子115がオフであれば、ソースフォロア104から出力される出力信号は、出力線141へ入力されない。   The switch element 115 controls connection / disconnection between the source follower 104 and the output line 141 by opening and closing. If the switch element 115 is on, the output signal (potential) output from the source follower 104 is input to the output line 141. On the other hand, if the switch element 115 is off, the output signal output from the source follower 104 is not input to the output line 141.

本実施の形態に係る光電変換装置100は、上述の構成を有することにより、フォトトランジスタの増幅機能の効果を利用することができ、更に、グローバルシャッタ方式での動作が可能になる。即ち、高感度で、且つデータの同時性を確保できる光電変換装置を実現できる。   Since the photoelectric conversion device 100 according to this embodiment has the above-described configuration, the effect of the amplification function of the phototransistor can be used, and further, the operation can be performed in the global shutter system. That is, it is possible to realize a photoelectric conversion device that is highly sensitive and can ensure data synchronism.

<光電変換アレイの構成>
図4を用いて、本実施の形態に係る光電変換アレイの構成の一例について説明する。光電変換装置(画素セル)100は、2次元アレイ状(例えば、M行×N列のマトリックス状)に配置することが可能である。光電変換アレイ200に配置される全ての画素セルを、画素セルP(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)と表記する。
<Configuration of photoelectric conversion array>
An example of the configuration of the photoelectric conversion array according to this embodiment will be described with reference to FIG. The photoelectric conversion devices (pixel cells) 100 can be arranged in a two-dimensional array (for example, a matrix of M rows × N columns). All the pixel cells arranged in the photoelectric conversion array 200 are expressed as pixel cells P (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N).

全ての画素セルに含まれるスイッチ素子を、スイッチ素子111(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)、スイッチ素子112(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)、スイッチ素子113(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)、スイッチ素子114(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)、スイッチ素子115(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)と表記する。又、全ての画素セルに含まれるフォトトランジスタを、フォトトランジスタ101(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)と表記する。又、全ての画素セルに含まれる電荷蓄積部を、電荷蓄積部102(m、n)(ノードA(m、n))(1≦m≦M)(1≦n≦N)、電荷蓄積部103(m、n)(ノードB(m、n))(1≦m≦M)(1≦n≦N)と表記する。又、全ての画素セルに含まれるソースフォロアを、ソースフォロア104(1≦m≦M)(1≦n≦N)と表記する。   Switch elements included in all pixel cells are switch elements 111 (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N), switch elements 112 (m, n) (1 ≦ m ≦ M) ( 1 ≦ n ≦ N), switch element 113 (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N), switch element 114 (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ M) N) and switch element 115 (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N). In addition, the phototransistor included in all the pixel cells is expressed as a phototransistor 101 (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N). In addition, the charge storage unit included in all the pixel cells is a charge storage unit 102 (m, n) (node A (m, n)) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N), a charge storage unit. 103 (m, n) (node B (m, n)) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N). A source follower included in all pixel cells is represented as a source follower 104 (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N).

図4は、光電変換アレイ200の構成の一例を示すブロック図である。図4に示す光電変換アレイ200は、2次元アレイ状に配置される複数の画素セル(画素セルP(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N))と、各行毎に設けられる複数の行制御線、即ち、制御線121(121_1〜121_M)、制御線122(122_1〜122_M)、制御線123(123_1〜123_M)、制御線124(124_1〜124_M)、制御線125(125_1〜125_M)と、各行毎に設けられる複数の電源線、即ち、電源線131(131_1〜131_M)、電源線132(132_1〜132_M)と、各列毎に設けられる複数の列出力線(出力信号を出力する)、即ち、出力線141(141_1〜141_M)と、ピクセル制御ブロック210と、負荷電流源220、ノイズキャンセル&AD変換アレイ230とを含む。   FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the photoelectric conversion array 200. 4 includes a plurality of pixel cells (pixel cells P (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N)) arranged in a two-dimensional array, and each row. A plurality of row control lines, that is, a control line 121 (121_1 to 121_M), a control line 122 (122_1 to 122_M), a control line 123 (123_1 to 123_M), a control line 124 (124_1 to 124_M), and a control line 125 (125_1 to 125_M), a plurality of power supply lines provided for each row, that is, a power supply line 131 (131_1 to 131_M), a power supply line 132 (132_1 to 132_M), and a plurality of column output lines provided for each column ( Output signal), that is, output line 141 (141_1-141_M), pixel control block 210, load current source 220, noise cancel & AD And a conversion array 230.

制御線121_m、122_m、123_m、124_m、125_m、電源線131_m、電源線132_m(1≦m≦M)には、N個の画素セルP(m、1)〜P(m、N)(1≦m≦M)が、接続される。   The control lines 121_m, 122_m, 123_m, 124_m, 125_m, the power supply line 131_m, and the power supply line 132_m (1 ≦ m ≦ M) have N pixel cells P (m, 1) to P (m, N) (1 ≦ m ≦ M) are connected.

出力線141_n(1≦n≦N)には、M個の画素セルP(1、n)〜P(M、n)(1≦n≦N)が、接続される。   M pixel cells P (1, n) to P (M, n) (1 ≦ n ≦ N) are connected to the output line 141_n (1 ≦ n ≦ N).

画素セル制御ブロック210は、制御線121(121_1〜121_M)、制御線122(122_1〜122_M)、制御線123(123_1〜123_M)、制御線124(124_1〜124_M)、制御線125(125_1〜125_M)の制御装置として動作する。画素セル制御ブロック210は、各制御線を介して画素セルP(m、1)〜P(m、N)(1≦m≦M)に制御信号を入力し、各スイッチ素子111(m、1)〜111(m、N)(1≦m≦M)、スイッチ素子112(m、1)〜112(m、N)(1≦m≦M)、スイッチ素子113(m、1)〜113(m、N)(1≦m≦M)、スイッチ素子114(m、1)〜114(m、N)(1≦m≦M)、スイッチ素子115(m、1)〜115(m、N)(1≦m≦M)のオンオフを制御する。   The pixel cell control block 210 includes a control line 121 (121_1 to 121_M), a control line 122 (122_1 to 122_M), a control line 123 (123_1 to 123_M), a control line 124 (124_1 to 124_M), and a control line 125 (125_1 to 125_M). ) Operates as a control device. The pixel cell control block 210 inputs a control signal to the pixel cells P (m, 1) to P (m, N) (1 ≦ m ≦ M) via each control line, and each switch element 111 (m, 1 ) To 111 (m, N) (1 ≦ m ≦ M), switch elements 112 (m, 1) to 112 (m, N) (1 ≦ m ≦ M), switch elements 113 (m, 1) to 113 ( m, N) (1 ≦ m ≦ M), switch elements 114 (m, 1) to 114 (m, N) (1 ≦ m ≦ M), switch elements 115 (m, 1) to 115 (m, N) ON / OFF of (1 ≦ m ≦ M) is controlled.

画素セル制御ブロック210が、制御線121(121_1〜121_M)を介して、スイッチ素子115(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)の開閉を制御することで、出力線から、所望の行の画素セルの出力信号が出力される。例えば、画素セル制御ブロック210が、3行目の制御線121_3と接続されるスイッチ素子115(3、n)(1≦n≦N)がオンとなるように、3行目の制御線121_3を制御すれば、全ての出力線141(141_1〜141_N)から、3行目の画素セルP(3、n)(1≦n≦N)の出力信号が、同時に出力される。即ち、所望の行の画素セルの出力信号を、全ての出力線141(141_1〜141_N)から並行して出力させることが可能になる。   The pixel cell control block 210 controls the opening and closing of the switch element 115 (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N) via the control line 121 (121_1 to 121_M), thereby outputting An output signal of a pixel cell in a desired row is output from the line. For example, the pixel cell control block 210 sets the control line 121_3 in the third row so that the switch element 115 (3, n) (1 ≦ n ≦ N) connected to the control line 121_3 in the third row is turned on. If controlled, the output signals of the pixel cells P (3, n) (1 ≦ n ≦ N) in the third row are simultaneously output from all the output lines 141 (141_1 to 141_N). That is, output signals of pixel cells in a desired row can be output in parallel from all the output lines 141 (141_1 to 141_N).

又、画素セル制御ブロック210が、制御線122(122_1〜122_M)、制御線123(123_1〜123_M)、制御線124(124_1〜124_M)、制御線125(125_1〜125_M)を介して、スイッチ素子111(m、1)〜111(m、N)(1≦m≦M)、スイッチ素子112(m、1)〜112(m、N)(1≦m≦M)、スイッチ素子113(m、1)〜113(m、N)(1≦m≦M)、スイッチ素子114(m、1)〜114(m、N)(1≦m≦M)、の開閉を制御することで、各画素セル内に含まれる複数の電荷蓄積部(電荷蓄積部102(m、1)〜102(m、N)(1≦m≦M)、電荷蓄積部103(m、1)〜103(m、N)(1≦m≦M))に蓄積させる電荷を任意に調整でき、又適切な電荷転送を行うことができる。   In addition, the pixel cell control block 210 includes a switch element via a control line 122 (122_1 to 122_M), a control line 123 (123_1 to 123_M), a control line 124 (124_1 to 124_M), and a control line 125 (125_1 to 125_M). 111 (m, 1) to 111 (m, N) (1 ≦ m ≦ M), switch element 112 (m, 1) to 112 (m, N) (1 ≦ m ≦ M), switch element 113 (m, 1) to 113 (m, N) (1 ≦ m ≦ M) and switch elements 114 (m, 1) to 114 (m, N) (1 ≦ m ≦ M) are controlled to open and close each pixel. A plurality of charge storage units (charge storage units 102 (m, 1) to 102 (m, N) (1 ≦ m ≦ M), charge storage units 103 (m, 1) to 103 (m, N ) (1 ≦ m ≦ M)) can be adjusted arbitrarily Also it is possible to perform appropriate charge transfer.

つまり、画素セル制御ブロック210により、各行制御線や列出力線を適宜制御することで、光電変換アレイ200を、グローバルシャッタ方式で動作させることが可能になる。   That is, by appropriately controlling each row control line and column output line by the pixel cell control block 210, the photoelectric conversion array 200 can be operated in a global shutter system.

負荷電流源220は、出力線141(141_1〜141_N)を介して、各画素セルP(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)に接続され、各画素セルに対して、負荷電流を供給する。   The load current source 220 is connected to each pixel cell P (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N) via the output line 141 (141_1 to 141_N). Supply the load current.

なお、図4では、各列の出力線141(141_1〜141_N)について、単一の負荷電流源220を設ける構成を一例として示すが、負荷電流源の個数は、特に限定されない。例えば、各列の出力線141(141_1〜141_N)1本ずつに対して、それぞれ1つずつ負荷電流源220(220_1〜220_N)を設けても良い。   In FIG. 4, a configuration in which a single load current source 220 is provided for the output lines 141 (141_1 to 141_N) in each column is shown as an example, but the number of load current sources is not particularly limited. For example, one load current source 220 (220_1 to 220_N) may be provided for each output line 141 (141_1 to 141_N) in each column.

単一の負荷電流源を設ける場合、負荷電流源に含まれる複数のバイアストランジスタ(図示せず)は、共通化される。又、複数の負荷電流源220を設ける場合、複数のバイアストランジスタは、各負荷電流源間で共有される。   When a single load current source is provided, a plurality of bias transistors (not shown) included in the load current source are shared. When a plurality of load current sources 220 are provided, the plurality of bias transistors are shared among the load current sources.

ノイズキャンセル&AD変換アレイ230は、各画素セルP(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)に接続される出力線141(141_1〜141_N)から出力される出力信号(アナログ信号)を取得し、該出力信号をデジタル画像信号へと変換して出力する。例えば、ノイズキャンセル&AD変換アレイ230は、3行目の画素セルP(3、1)〜P(3、N)に接続される出力線141(141_1〜141_N)から出力される出力信号(アナログ信号)を同時に取得し、3行目の変換したデジタル画像信号を同時に出力することができる。   The noise cancellation & AD conversion array 230 outputs an output signal (141_1 to 141_N) output from an output line 141 (141_1 to 141_N) connected to each pixel cell P (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N). Analog signal), and the output signal is converted into a digital image signal and output. For example, the noise cancellation & AD conversion array 230 outputs an output signal (analog signal) output from the output line 141 (141_1 to 141_N) connected to the pixel cells P (3, 1) to P (3, N) in the third row. ) At the same time, and the converted digital image signal in the third row can be output simultaneously.

なお、図4では、各列の出力線141(141_1〜141_N)について、単一のノイズキャンセル&AD変換アレイ230を設ける構成を一例として示すが、ノイズキャンセル&AD変換アレイ230の個数は、特に限定されない。例えば、各列の出力線141(141_1〜141_N)1本ずつに対して、それぞれ1つずつノイズキャンセル&AD変換アレイ230を設けても良い。   FIG. 4 shows an example in which a single noise cancellation & AD conversion array 230 is provided for the output lines 141 (141_1 to 141_N) in each column, but the number of noise cancellation & AD conversion arrays 230 is not particularly limited. . For example, one noise cancellation & AD conversion array 230 may be provided for each output line 141 (141_1 to 141_N) in each column.

単一のノイズキャンセル&AD変換アレイ230を設ける場合、ノイズキャンセル&AD変換アレイ230内に列選択を行う機能を追加することもできる。   When a single noise cancellation & AD conversion array 230 is provided, a function for selecting a column in the noise cancellation & AD conversion array 230 can be added.

以上のように、複数の画素セルがM行×N列のマトリクス状に配置された光電変換アレイ200において、各画素セル内に露光電荷を蓄積する部分と読み出し電荷を保存する部分を別々に持たせ(各画素セル内に複数の電荷蓄積部分を形成し)、出力信号読み出し中にも、露光を並行して行える構成とすることで、グローバルシャッタ方式の動作が可能になる。又、全ての画素セルにおいて、同時刻に露光を行うことができるため、光電変換アレイ200において、画像データの同時性を確保できる。即ち、高感度且つデータの同時性を確保できる光電変換アレイを提供することができる。   As described above, in the photoelectric conversion array 200 in which a plurality of pixel cells are arranged in a matrix of M rows × N columns, each pixel cell has a portion for storing exposure charge and a portion for storing readout charge separately. (A plurality of charge storage portions are formed in each pixel cell), and a configuration in which exposure can be performed in parallel even while an output signal is being read out enables global shutter operation. Further, since exposure can be performed at the same time in all the pixel cells, in the photoelectric conversion array 200, simultaneity of image data can be ensured. That is, it is possible to provide a photoelectric conversion array that can ensure high sensitivity and data simultaneity.

<光電変換装置の動作(グローバルシャッタ動作)>
図5に、本実施の形態に係る光電変換アレイ200の制御タイミングを示すタイミングチャートの一例を示す。画素セルP(m、1)〜P(m、N)(1≦m≦M)が順次選択され、更に、画素セルP(m、n)が選択される場合における制御線121_m、制御線123_m、制御線125_m、出力線141_nのタイミングチャートを示す。
<Operation of photoelectric conversion device (global shutter operation)>
FIG. 5 shows an example of a timing chart showing the control timing of the photoelectric conversion array 200 according to this embodiment. When the pixel cells P (m, 1) to P (m, N) (1 ≦ m ≦ M) are sequentially selected and the pixel cell P (m, n) is further selected, the control line 121_m and the control line 123_m are selected. , A timing chart of the control line 125_m and the output line 141_n is shown.

電源線131(131_1〜131_M)には、例えば、高電源電位3.3Vが、電源線132(132_1〜132_M)には、例えば、低電源電位0Vが、供給されている。   For example, the high power supply potential 3.3V is supplied to the power supply line 131 (131_1 to 131_M), and the low power supply potential 0V is supplied to the power supply line 132 (132_1 to 132_M), for example.

なお、以下の説明においては、制御線122(122_1〜122_M)を制御線122と、制御線124(124_1〜124_M)を制御線124と、電源線131(131_1〜131_M)を電源線131と、電源線132(132_1〜132_M)を電源線132と、スイッチ素子111(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)をスイッチ素子111と、スイッチ素子113(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)をスイッチ素子113と、フォトトランジスタ101(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)をフォトトランジスタ101と、ソースフォロア104(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)をソースフォロア104と、ノードA(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)をノードAと、ノードB(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)をノードBと、表記する。又、m行目の制御線121を制御線121_mと、m行目の制御線123を制御線123_mと、m行目の制御線125を制御線125_mと、n列目の出力線141を出力線141_nと、表記する。   In the following description, the control line 122 (122_1 to 122_M) is the control line 122, the control line 124 (124_1 to 124_M) is the control line 124, the power line 131 (131_1 to 131_M) is the power line 131, The power line 132 (132_1 to 132_M) is the power line 132, the switch element 111 (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N) is the switch element 111, and the switch element 113 (m, n) (1.ltoreq.m.ltoreq.M) (1.ltoreq.n.ltoreq.N) is the switch element 113, phototransistor 101 (m, n) (1.ltoreq.m.ltoreq.M) (1.ltoreq.n.ltoreq.N) is the phototransistor 101, and source follower. 104 (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N) is the source follower 104 and node A (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N) is the node A And node B (m, n) And 1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N) to a Node B, denoted. The m-th control line 121 is output as a control line 121_m, the m-th control line 123 is output as a control line 123_m, the m-th control line 125 is output as a control line 125_m, and the n-th column output line 141 is output. This is represented as a line 141_n.

又、図5に示すタイミングチャートにおいて、信号波形がハイレベルである場合、各スイッチ素子はオン、信号波形がロウレベルである場合、各スイッチ素子はオフであるものとする。   In the timing chart shown in FIG. 5, each switch element is turned on when the signal waveform is at a high level, and each switch element is turned off when the signal waveform is at a low level.

(1)リセット動作の開始
まず、時刻t1において、制御線124をハイレベルにして、スイッチ素子111を導通状態にする。又、制御線122をハイレベルにして、スイッチ素子113を導通状態にする。スイッチ素子111及びスイッチ素子113が開くことで、フォトトランジスタ101のエミッタの電位及びノードAの電位は、電源線132の電位、即ち、低電源電位0Vとなる。これにより、フォトトランジスタ101のベースの電位、ノードAの電位はリセットされる(リセット動作の開始)。
(1) Start of reset operation First, at time t1, the control line 124 is set to the high level, and the switch element 111 is turned on. Further, the control line 122 is set to the high level, and the switch element 113 is turned on. When the switch element 111 and the switch element 113 are opened, the potential of the emitter of the phototransistor 101 and the potential of the node A become the potential of the power supply line 132, that is, the low power supply potential 0V. As a result, the base potential of the phototransistor 101 and the potential of the node A are reset (start of the reset operation).

(2)リセット動作の終了
次に、時刻t2において、制御線124をロウレベルにして、スイッチ素子111を非導通状態にする。又、制御線122をロウレベルにして、スイッチ素子113を非導通状態にする。スイッチ素子111及びスイッチ素子113が閉じることで、フォトトランジスタ101のベースの電位、及びノードAの電位のリセット動作が終了する(リセット動作の終了)。
(2) End of Reset Operation Next, at time t2, the control line 124 is set to low level, and the switch element 111 is turned off. Further, the control line 122 is set to a low level, and the switch element 113 is turned off. When the switch element 111 and the switch element 113 are closed, the reset operation of the base potential of the phototransistor 101 and the potential of the node A ends (end of the reset operation).

(3)フォトトランジスタ101の電荷蓄積
上記(2)の動作の終了直後から、フォトトランジスタ101に照射される光200の強度に基づき発生する電荷が、フォトトランジスタ101のベースに蓄積される(電荷蓄積期間)。電荷蓄積期間に、各画素セルP(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)に含まれるフォトトランジスタ101に照射される光強度は、光電変換アレイ200が獲得したい信号情報となる。
(3) Charge Accumulation of Phototransistor 101 Immediately after the end of the above operation (2), charges generated based on the intensity of light 200 applied to the phototransistor 101 are accumulated in the base of the phototransistor 101 (charge accumulation). period). In the charge accumulation period, the light intensity irradiated to the phototransistor 101 included in each pixel cell P (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N) is a signal that the photoelectric conversion array 200 wants to acquire. Information.

(4)電荷の転送
次に、時刻t3において、制御線124をハイレベルにして、スイッチ素子111を導通状態にする。スイッチ素子111が開くことで、フォトトランジスタ101のエミッタと、低電源電位0VにリセットされたノードAとが接続される。
(4) Charge Transfer Next, at time t3, the control line 124 is set to the high level, and the switch element 111 is turned on. By opening the switch element 111, the emitter of the phototransistor 101 is connected to the node A reset to the low power supply potential 0V.

フォトトランジスタ101のベースに蓄積された電荷が、フォトトランジスタ101のエミッタへと流れ、フォトトランジスタ101の増幅機能により増幅された増幅電流がノードAへと流れる。これにより、フォトトランジスタ101のベースに蓄積された電荷は、電荷蓄積部102(ノードA)へと転送される。   The charge accumulated at the base of the phototransistor 101 flows to the emitter of the phototransistor 101, and the amplified current amplified by the amplification function of the phototransistor 101 flows to the node A. As a result, the charge accumulated in the base of the phototransistor 101 is transferred to the charge accumulation unit 102 (node A).

(5)ノードAの電荷蓄積
次に、時刻t4において、制御線124をロウレベルにして、スイッチ素子111を非導通状態にする。スイッチ素子111が閉じることで、電荷蓄積部102(ノードA)には、フォトトランジスタ101のベースに蓄積された電荷(光強度)と相関のある電荷が蓄積される。
(5) Charge Accumulation at Node A Next, at time t4, the control line 124 is set to a low level, and the switch element 111 is turned off. When the switch element 111 is closed, a charge having a correlation with the charge (light intensity) accumulated in the base of the phototransistor 101 is accumulated in the charge accumulation unit 102 (node A).

上記(1)から(5)までの動作は、全ての画素セルP(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)に対して同時に行われるため、各画素セルに含まれるノードAには、各画素セルが配置される場所に対応する同時刻の光強度に基づく電荷(信号情報)が、蓄積されることになる。   Since the operations from (1) to (5) are simultaneously performed on all the pixel cells P (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N), they are included in each pixel cell. In the node A, charges (signal information) based on the light intensity at the same time corresponding to the place where each pixel cell is arranged are accumulated.

次に、m行目、n列目の画素セルP(m、n)における読み出し時の個別動作について説明する。なお、読み出し時、画素セルP(m、n)以外の各行に配置される画素セルP(m、1)〜P(m、N)(1≦m≦M)も、下記(6)から(13)までと同様の流れで、順次動作する。   Next, an individual operation at the time of reading in the pixel cell P (m, n) in the m-th row and the n-th column will be described. Note that pixel cells P (m, 1) to P (m, N) (1 ≦ m ≦ M) arranged in each row other than the pixel cell P (m, n) at the time of reading are also from (6) below ( The operation is sequentially performed in the same flow up to 13).

(6)リセット動作の開始
まず、時刻tα1において、制御線123_mをハイレベルにして、スイッチ素子114(m、n)を導通状態にする。スイッチ素子114(m、n)が開くことで、ノードB(m、n)の電位は、電源線132の電位、即ち、低電源電位0Vとなる。これにより、ノードB(m、n)の電位はリセットされる(リセット動作の開始)。
(6) Start of Reset Operation First, at time tα1, the control line 123_m is set to a high level, and the switch element 114 (m, n) is turned on. When the switch element 114 (m, n) is opened, the potential of the node B (m, n) becomes the potential of the power supply line 132, that is, the low power supply potential 0V. Thereby, the potential of the node B (m, n) is reset (start of the reset operation).

(7)ソースフォロアと出力線との接続
次に、時刻tα2において、制御線121_nをハイレベルにして、スイッチ素子115(m、n)を導通状態にする。スイッチ素子115(m、n)が開くことで、ソースフォロア104(m、n)と、出力線141_nとが接続される。これにより、画素セルP(m、n)の信号情報は、読み出されることが可能な状態になる。
(7) Connection between Source Follower and Output Line Next, at time tα2, the control line 121_n is set to the high level, and the switch element 115 (m, n) is turned on. When the switch element 115 (m, n) is opened, the source follower 104 (m, n) and the output line 141_n are connected. Thereby, the signal information of the pixel cell P (m, n) can be read out.

出力線141(141_1〜141_N)は、各列に配置される画素セルP(1、n)〜P(M、n)(1≦n≦N)に含まれるスイッチ素子115(1、n)〜115(M、n)(1≦n≦N)を介して、接続される。従って、ある1つの画素セルに含まれるスイッチ素子115が導通状態となるように制御する場合は、同じ列の他の画素セルに含まれるスイッチ素子115が非導通状態となるように制御する。例えば、画素セルP(3、n)が選択され、画素セルP(3、n)に含まれるスイッチ素子115(3、n)が導通状態となるように制御する場合は、同じ列の他の画素セルに含まれるスイッチ素子115(1、n)〜115(2、n)、及びスイッチ素子115(4、n)〜115(M、n)は、非導通状態となる様に制御する。   The output lines 141 (141_1 to 141_N) are connected to the switch elements 115 (1, n) to the pixel cells P (1, n) to P (M, n) (1 ≦ n ≦ N) arranged in each column. 115 (M, n) (1 ≦ n ≦ N). Therefore, when the switching element 115 included in one pixel cell is controlled to be in a conductive state, the switching element 115 included in another pixel cell in the same column is controlled to be in a non-conductive state. For example, when the pixel cell P (3, n) is selected and the switching element 115 (3, n) included in the pixel cell P (3, n) is controlled to be in a conductive state, The switch elements 115 (1, n) to 115 (2, n) and the switch elements 115 (4, n) to 115 (M, n) included in the pixel cell are controlled so as to be in a non-conductive state.

(8)リセット動作の終了
次に、時刻tα3において、制御線123_mをロウレベルにして、スイッチ素子114(m、n)を非導通状態にする。スイッチ素子114(m、n)が閉じることで、ノードB(m、n)の電位のリセット動作が終了する(リセット動作の終了)。なお、ノードB(m、n)の電位は、上記(6)の動作でリセットされた電位と、スイッチ素子114(m、n)を非導通状態にすることによる影響で生じた電位との和となっている。
(8) End of Reset Operation Next, at time tα3, the control line 123_m is set to a low level, and the switch element 114 (m, n) is turned off. When the switch element 114 (m, n) is closed, the reset operation of the potential of the node B (m, n) is completed (end of the reset operation). Note that the potential of the node B (m, n) is the sum of the potential reset by the operation of the above (6) and the potential generated by the effect of making the switch element 114 (m, n) nonconductive. It has become.

(9)出力信号の取り込み
次に、上記(8)の動作の後、出力線141_nの電位が安定するタイミングで、該電位(出力信号)をAD変換器で取り込み、保持する。ノードB(m、n)の電位をリセット動作するタイミングで、出力信号を取り込むことにより、画素セルP(m、n)の画像信号の一部を形成することができる。
(9) Capture of output signal Next, after the operation of (8), the potential (output signal) is captured and held by the AD converter at a timing when the potential of the output line 141_n is stabilized. A part of the image signal of the pixel cell P (m, n) can be formed by capturing the output signal at the timing of resetting the potential of the node B (m, n).

(10)電荷の転送
次に、時刻tα4において、制御線125_nをハイレベルにして、スイッチ素子112(m、n)を導通状態にする。スイッチ素子112(m、n)が開くことで、電荷蓄積部102(m、n)(ノードA(m、n))と、電荷蓄積部103(m、n)(ノードB(m、n))とが接続される。これにより、ノードA(m、n)に蓄積された電荷は、ノードB(m、n)へと転送される。
(10) Charge Transfer Next, at time tα4, the control line 125_n is set to the high level, and the switch element 112 (m, n) is turned on. When the switch element 112 (m, n) is opened, the charge storage unit 102 (m, n) (node A (m, n)) and the charge storage unit 103 (m, n) (node B (m, n)) ) And are connected. Thereby, the electric charge accumulated in the node A (m, n) is transferred to the node B (m, n).

(11)ノードBの電荷蓄積
次に、時刻tα5において、制御線125_nをロウレベルにして、スイッチ素子112(m、n)を非導通状態にする。スイッチ素子112(m、n)が閉じることで、ノードB(m、n)には、フォトトランジスタ101(m、n)のベースに蓄積された電荷(光強度)と相関のある電荷が蓄積される。
(11) Charge Accumulation at Node B Next, at time tα5, the control line 125_n is set to low level, and the switch element 112 (m, n) is turned off. By closing the switch element 112 (m, n), a charge having a correlation with the charge (light intensity) accumulated in the base of the phototransistor 101 (m, n) is accumulated in the node B (m, n). The

これは、ノードA(m、n)には、フォトトランジスタ101(m、n)のベースに蓄積された電荷(光強度)と相関のある電荷が蓄積されているため、ノードA(m、n)から電荷が転送されるノードB(m、n)にも、フォトトランジスタ101(m、n)のベースに蓄積された電荷(光強度)と相関のある電荷が蓄積されることになるためである。   This is because the node A (m, n) stores a charge correlated with the charge (light intensity) stored in the base of the phototransistor 101 (m, n). ), The charge having a correlation with the charge (light intensity) accumulated in the base of the phototransistor 101 (m, n) is also accumulated in the node B (m, n) to which the charge is transferred from the transistor. is there.

つまり、ノードB(m、n)の電位は、上記(11)の動作により生じた電位と、スイッチ素子112(m、n)を非導通状態にすることによる影響で生じた電位との和となっている。   That is, the potential of the node B (m, n) is the sum of the potential generated by the operation of (11) above and the potential generated by the effect of making the switch element 112 (m, n) nonconductive. It has become.

(12)出力信号の取り込み
次に、上記(11)の動作の後、出力線141_nの電位が安定するタイミングで、該電位(出力信号)を、再びAD変換器で取り込み、保持する。ノードB(m、n)に電荷が蓄積されたタイミングで、出力信号を取り込むことにより、画素セルP(m、n)の画像信号の一部を形成することができる。
(12) Capture of output signal Next, after the operation of (11), the potential (output signal) is captured again by the AD converter and held at the timing when the potential of the output line 141_n is stabilized. A part of the image signal of the pixel cell P (m, n) can be formed by capturing the output signal at the timing when the electric charge is accumulated in the node B (m, n).

(13)画像信号の生成
次に、上記(9)の動作により取り込んだ出力信号と、上記(12)の動作により取り込んだ出力信号との差分を取る。差分信号を、画素セルP(m、n)の画像信号とする。
(13) Generation of Image Signal Next, the difference between the output signal captured by the operation (9) and the output signal captured by the operation (12) is obtained. The difference signal is an image signal of the pixel cell P (m, n).

上記(6)から(13)までの流れで、読み出し時に、全ての画素セルP(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)を動作させることで、光電変換アレイ200は、全ての画素セルP(m、n)(1≦m≦M)(1≦n≦N)の画像信号を取得し、所望の画像信号を得られる。つまり、各画素セル内に、複数の電荷蓄積部を設け、各電荷蓄積部に蓄積される電荷を適宜調整し、適切な電荷転送を行うことにより、光電変換アレイ200をグローバルシャッタ方式で動作させることができる。   The photoelectric conversion array 200 is operated by operating all the pixel cells P (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N) at the time of reading in the flow from (6) to (13). Obtains image signals of all the pixel cells P (m, n) (1 ≦ m ≦ M) (1 ≦ n ≦ N), and obtains a desired image signal. That is, a plurality of charge storage units are provided in each pixel cell, the charge stored in each charge storage unit is adjusted as appropriate, and appropriate charge transfer is performed, thereby causing the photoelectric conversion array 200 to operate in a global shutter system. be able to.

これにより、高速で動作する被写体を撮像しても、画像に歪が生じることのない、高感度な光電変換アレイを実現できる。   As a result, it is possible to realize a high-sensitivity photoelectric conversion array that does not cause distortion in an image even when a subject operating at high speed is imaged.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。   The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiment, and within the scope of the gist of the embodiment of the present invention described in the claims, Various modifications and changes are possible.

100 光電変換装置
101 フォトトランジスタ
102 電荷蓄積部(第1の電荷蓄積部)
103 電荷蓄積部(第2の電荷蓄積部)
104 ソースフォロア
111 第1のスイッチ素子
112 第2のスイッチ素子
113 第3のスイッチ素子
114 第4のスイッチ素子
115 第5のスイッチ素子
141 出力線
200 光電変換アレイ
100 Photoelectric conversion device 101 Phototransistor 102 Charge storage unit (first charge storage unit)
103 Charge storage unit (second charge storage unit)
104 Source follower 111 1st switch element 112 2nd switch element 113 3rd switch element 114 4th switch element 115 5th switch element 141 Output line 200 Photoelectric conversion array

特開2012−28975号公報JP 2012-28975 A 特開2004−266597号公報JP 2004-266597 A

Claims (4)

光強度を検出し、前記光強度に応じて電流を出力するフォトトランジスタと、
前記電流を、電荷として蓄積する第1の電荷蓄積部と、
前記フォトトランジスタと前記第1の電荷蓄積部との接続を開閉により制御する第1のスイッチ素子と、
前記第1の電荷蓄積部から前記電荷が転送される第2の電荷蓄積部と、
前記第1の電荷蓄積部と前記第2の電荷蓄積部との接続を開閉により制御する第2のスイッチ素子と、
前記第2の電荷蓄積部の電位をバッファするソースフォロアと、
前記第1の電荷蓄積部の電位をリセットする第3のスイッチ素子と、
前記第2の電荷蓄積部の電位をリセットする第4のスイッチ素子と、
前記ソースフォロアの電位を出力する出力線と、
前記ソースフォロアと前記出力線との接続を開閉により制御する第5のスイッチ素子と、を有する、光電変換装置。
A phototransistor that detects light intensity and outputs a current according to the light intensity;
A first charge storage section for storing the current as a charge;
A first switch element for controlling connection between the phototransistor and the first charge storage unit by opening and closing;
A second charge storage unit to which the charge is transferred from the first charge storage unit;
A second switch element for controlling the connection between the first charge storage unit and the second charge storage unit by opening and closing;
A source follower for buffering the potential of the second charge storage unit;
A third switch element for resetting the potential of the first charge storage section;
A fourth switch element for resetting the potential of the second charge storage unit;
An output line for outputting the potential of the source follower;
A photoelectric conversion device comprising: a fifth switch element that controls connection between the source follower and the output line by opening and closing.
前記フォトトランジスタの出力電流は、前記光強度に対して指数関数で変化する、請求項1に記載の光電変換装置。   2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein an output current of the phototransistor changes with an exponential function with respect to the light intensity. 前記フォトトランジスタの出力電流は、前記光強度に対して累乗関数で変化する、請求項1に記載の光電変換装置。   2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein an output current of the phototransistor changes with a power function with respect to the light intensity. 前記光電変換装置が、2次元アレイ状に配置される、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の光電変換アレイ。   The photoelectric conversion array according to any one of claims 1 to 3, wherein the photoelectric conversion devices are arranged in a two-dimensional array.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010034890A (en) * 2008-07-29 2010-02-12 Panasonic Corp Solid-state imaging device and differential circuit

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