JP2015177323A - 固体撮像素子およびその駆動方法、並びに電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の光電変換部は、画素に入射された光を受光して光電変換することで信号電荷を生成して蓄積する。第1の電荷保持部は、生成された信号電荷を保持する。第1の出力トランジスタは、第1の選択トランジスタにより画素が選択された場合、第1の電荷保持部の信号電荷を画素信号として出力する。第1の電圧制御トランジスタは、第1の出力トランジスタの出力端の電圧を制御する。本開示の技術は、例えば、固体撮像素子の画素等に適用できる。
【選択図】図9
Description
1.基本画素の説明
2.第1の実施の形態(光電変換膜で信号電荷を電子とする画素の構成例)
3.第2の実施の形態(光電変換膜で信号電荷を正孔とする画素の構成例)
4.第3の実施の形態(フォトダイオードで転送トランジスタを有する画素の構成例)
5.第4の実施の形態(光電変換膜とフォトダイオードを有する画素の構成例)
6.第5の実施の形態(光電変換膜とフォトダイオードを有する画素の構成例)
初めに、本技術の理解を容易にするため、本技術が適用される基本構成となる固体撮像素子の画素(以下、基本画素という。)について説明する。
図1は、基本画素の等価回路を示している。
図2は、画素1の断面構造を示す図である。
次に、図3乃至図5を参照して、画素1の駆動について説明する。
図6乃至図8を参照して、選択トランジスタ15がオフの状態で、画素1をリセットし、のちに、選択トランジスタ15をオンする駆動について説明する。
図9乃至図15を参照して、本技術を適用した画素の第1の実施の形態について説明する。
次に、図11乃至図15を参照して、第1の実施の形態における画素51Aの駆動(第1の駆動)について説明する。
図16乃至図21を参照して、本技術を適用した画素の第2の実施の形態について説明する。
次に、第1の実施の形態と同様に、図18のタイミングチャートとともに、図19乃至図21を参照して、第2の実施の形態における画素51Bの駆動(第2の駆動)について説明する。
図22乃至図28を参照して、本技術を適用した画素の第3の実施の形態について説明する。
次に、図24のタイミングチャートとともに、図25乃至図28を参照して、第3の実施の形態における画素51Cの駆動(第3の駆動)について説明する。
図29乃至図31を参照して、本技術を適用した画素の第4の実施の形態について説明する。
図31のタイミングチャートを参照して、第4の実施の形態における画素51Dの駆動(第4の駆動)について説明する。
図32乃至図34を参照して、本技術を適用した画素の第5の実施の形態について説明する。
図34のタイミングチャートを参照して、第5の実施の形態における画素51Eの駆動(第5の駆動)について説明する。
上述した画素51A乃至画素51Eは、図35に示す固体撮像素子の画素として採用することができる。すなわち、図35は、本技術が適用された固体撮像素子の概略構成を示す図である。
本技術は、固体撮像素子への適用に限られるものではない。即ち、本技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機など、画像取込部(光電変換部)に固体撮像素子を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像素子は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
(1)
画素に入射された光を受光して光電変換することで信号電荷を生成して蓄積する第1の光電変換部と、
前記第1の光電変換部で生成された信号電荷を保持する第1の電荷保持部と、
前記画素の選択を制御する第1の選択トランジスタと、
前記第1の選択トランジスタにより前記画素が選択された場合、前記第1の電荷保持部の信号電荷を画素信号として出力する第1の出力トランジスタと、
前記第1の出力トランジスタの出力端の電圧を制御する第1の電圧制御トランジスタと
を有する画素を備える
固体撮像素子。
(2)
前記第1の光電変換部は、第1の波長の光を光電変換し、
前記画素は、
前記第1の波長と異なる第2の波長の光を受光して光電変換することで信号電荷を生成する第2の光電変換部と、
前記第1の波長及び前記第2の波長のいずれとも異なる第3の波長の光を受光して光電変換することで信号電荷を生成する第3の光電変換部と、
前記第2及び第3の光電変換部で生成された信号電荷を保持する第2の電荷保持部と、
前記画素の選択を制御する第2の選択トランジスタと、
前記第2の選択トランジスタにより前記画素が選択された場合、前記第2の電荷保持部の信号電荷を画素信号として出力する第2の出力トランジスタと
をさらに有する
前記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)
前記画素は、
前記第2の出力トランジスタの出力端の電圧を制御する第2の電圧制御トランジスタをさらに有する
前記(1)または(2)に記載の固体撮像素子。
(4)
前記第1の光電変換部は、光電変換膜の上下を電極で挟み込む構造により形成されている
前記(1)乃至(3)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(5)
前記第1の光電変換部は、半導体基板内のPN接合によるフォトダイオードにより形成されている
前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(6)
前記第1の光電変換部で生成された信号電荷は、正孔である
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(7)
前記第1の光電変換部で生成された信号電荷は、電子である
前記(1)乃至(6)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)
前記第1の電荷保持部は、第1導電型の半導体基板内に形成した第2導電型の拡散層を含み、
前記第1の電荷保持部の電圧をリセットするリセット電圧は、前記第1導電型の電位と同一の電圧である
前記(1)乃至(7)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(9)
前記第1導電型はP型であり、前記第2導電型はN型である
前記(8)に記載の固体撮像素子。
(10)
前記第1の光電変換部で生成された信号電荷を、前記第1の電荷保持部へ転送する転送トランジスタをさらに備える
前記(1),(5)乃至(9)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(11)
前記第1の電荷保持部は、フローティングディフュージョン部である
前記(1),(5)乃至(10)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(12)
前記第1の電圧制御トランジスタのドレイン電圧は、前記出力トランジスタのドレイン電圧と同一である
前記(1)乃至(11)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(13)
前記第1の電圧制御トランジスタは、Deep Depletion型のトランジスタである
前記(1)乃至(12)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(14)
前記第1の電圧制御トランジスタのオフ電圧には、負バイアスが用いられる
前記(1)乃至(13)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(15)
前記第1の選択トランジスタがオンの状態では、常に、前記第1の電圧制御トランジスタがオフの状態に制御されるように構成される
前記(1)乃至(14)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(16)
前記第1の選択トランジスタがオンになる前に、前記第1の電圧制御トランジスタがオフされるように構成される
前記(1)乃至(15)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(17)
前記第1の選択トランジスタがオン、前記第1の電圧制御トランジスタがオフの状態で、前記第1の電荷保持部のリセット動作が行われた後、前記第1の選択トランジスタがオフ、前記第1の電圧制御トランジスタがオンの状態で、前記第1の光電変換部による信号蓄積が行われるように構成される
前記(1)乃至(16)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(18)
前記第1の選択トランジスタがオフ、前記第1の電圧制御トランジスタがオンの状態で、前記第1の電荷保持部のリセット動作が行われた後、前記第1の選択トランジスタがオン、前記第1の電圧制御トランジスタがオフの状態でリセット時の信号が読み出されるように構成される
前記(1)乃至(16)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(19)
第1の光電変換部と、第1の電荷保持部と、第1の選択トランジスタと、第1の出力トランジスタと、第1の電圧制御トランジスタとを有する画素を備える固体撮像素子が、
前記第1の光電変換部が、前記画素に入射された光を受光して光電変換することで信号電荷を生成して蓄積し、
前記第1の電荷保持部が、前記第1の光電変換部で生成された信号電荷を保持し、
前記第1の選択トランジスタが、前記画素の選択を制御し、
前記第1の出力トランジスタが、前記第1の選択トランジスタにより前記画素が選択された場合、前記第1の電荷保持部の信号電荷を画素信号として出力し、
前記第1の電圧制御トランジスタは、前記第1の出力トランジスタの出力端の電圧を制御する
固体撮像素子の駆動方法。
(20)
画素に入射された光を受光して光電変換することで信号電荷を生成して蓄積する第1の光電変換部と、
前記第1の光電変換部で生成された信号電荷を保持する第1の電荷保持部と、
前記画素の選択を制御する第1の選択トランジスタと、
前記第1の選択トランジスタにより前記画素が選択された場合、前記第1の電荷保持部の信号電荷を画素信号として出力する第1の出力トランジスタと、
前記第1の出力トランジスタの出力端の電圧を制御する第1の電圧制御トランジスタと
を有する画素を備える固体撮像素子
を備える電子機器。
Claims (20)
- 画素に入射された光を受光して光電変換することで信号電荷を生成して蓄積する第1の光電変換部と、
前記第1の光電変換部で生成された信号電荷を保持する第1の電荷保持部と、
前記画素の選択を制御する第1の選択トランジスタと、
前記第1の選択トランジスタにより前記画素が選択された場合、前記第1の電荷保持部の信号電荷を画素信号として出力する第1の出力トランジスタと、
前記第1の出力トランジスタの出力端の電圧を制御する第1の電圧制御トランジスタと
を有する画素を備える
固体撮像素子。 - 前記第1の光電変換部は、第1の波長の光を光電変換し、
前記画素は、
前記第1の波長と異なる第2の波長の光を受光して光電変換することで信号電荷を生成する第2の光電変換部と、
前記第1の波長及び前記第2の波長のいずれとも異なる第3の波長の光を受光して光電変換することで信号電荷を生成する第3の光電変換部と、
前記第2及び第3の光電変換部で生成された信号電荷を保持する第2の電荷保持部と、
前記画素の選択を制御する第2の選択トランジスタと、
前記第2の選択トランジスタにより前記画素が選択された場合、前記第2の電荷保持部の信号電荷を画素信号として出力する第2の出力トランジスタと
をさらに有する
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記画素は、
前記第2の出力トランジスタの出力端の電圧を制御する第2の電圧制御トランジスタをさらに有する
請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の光電変換部は、光電変換膜の上下を電極で挟み込む構造により形成されている
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の光電変換部は、半導体基板内のPN接合によるフォトダイオードにより形成されている
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の光電変換部で生成された信号電荷は、正孔である
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の光電変換部で生成された信号電荷は、電子である
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の電荷保持部は、第1導電型の半導体基板内に形成した第2導電型の拡散層を含み、
前記第1の電荷保持部の電圧をリセットするリセット電圧は、前記第1導電型の電位と同一の電圧である
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1導電型はP型であり、前記第2導電型はN型である
請求項8に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の光電変換部で生成された信号電荷を、前記第1の電荷保持部へ転送する転送トランジスタをさらに備える
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の電荷保持部は、フローティングディフュージョン部である
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の電圧制御トランジスタのドレイン電圧は、前記出力トランジスタのドレイン電圧と同一である
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の電圧制御トランジスタは、Deep Depletion型のトランジスタである
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の電圧制御トランジスタのオフ電圧には、負バイアスが用いられる
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の選択トランジスタがオンの状態では、常に、前記第1の電圧制御トランジスタがオフの状態に制御されるように構成される
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の選択トランジスタがオンになる前に、前記第1の電圧制御トランジスタがオフされるように構成される
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の選択トランジスタがオン、前記第1の電圧制御トランジスタがオフの状態で、前記第1の電荷保持部のリセット動作が行われた後、前記第1の選択トランジスタがオフ、前記第1の電圧制御トランジスタがオンの状態で、前記第1の光電変換部による信号蓄積が行われるように構成される
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の選択トランジスタがオフ、前記第1の電圧制御トランジスタがオンの状態で、前記第1の電荷保持部のリセット動作が行われた後、前記第1の選択トランジスタがオン、前記第1の電圧制御トランジスタがオフの状態でリセット時の信号が読み出されるように構成される
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 第1の光電変換部と、第1の電荷保持部と、第1の選択トランジスタと、第1の出力トランジスタと、第1の電圧制御トランジスタとを有する画素を備える固体撮像素子が、
前記第1の光電変換部が、前記画素に入射された光を受光して光電変換することで信号電荷を生成して蓄積し、
前記第1の電荷保持部が、前記第1の光電変換部で生成された信号電荷を保持し、
前記第1の選択トランジスタが、前記画素の選択を制御し、
前記第1の出力トランジスタが、前記第1の選択トランジスタにより前記画素が選択された場合、前記第1の電荷保持部の信号電荷を画素信号として出力し、
前記第1の電圧制御トランジスタは、前記第1の出力トランジスタの出力端の電圧を制御する
固体撮像素子の駆動方法。 - 画素に入射された光を受光して光電変換することで信号電荷を生成して蓄積する第1の光電変換部と、
前記第1の光電変換部で生成された信号電荷を保持する第1の電荷保持部と、
前記画素の選択を制御する第1の選択トランジスタと、
前記第1の選択トランジスタにより前記画素が選択された場合、前記第1の電荷保持部の信号電荷を画素信号として出力する第1の出力トランジスタと、
前記第1の出力トランジスタの出力端の電圧を制御する第1の電圧制御トランジスタと
を有する画素を備える固体撮像素子
を備える電子機器。
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