JP2016076914A - 画像センサ - Google Patents
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Abstract
Description
<画像センサの全体構成>
図1は、画像センサ100の構成の一例を概略的に示す図である。図1の例示では、画像センサ100は複数の信号線120および複数の信号線122を有している。複数の信号線120は互いに並行して延在し、複数の信号線122は、信号線120と交差して延在しつつ、互いに並行して延在している。図1の例示では、信号線120,122は互いに直交している。
図2は、画素110の内部構成の一例を概略的に示す等価回路である。画素110は受光素子10と、リセットスイッチ20と、画素選択スイッチ30とを備えている。
次に受光素子10の露光時間について考察する。露光時間とは、光を受光してから、画素信号が光量に応じた値を採るまでの時間である。よって本実施の形態では、露光時間とは、リセットスイッチ20がターンオフしてから、半導体層12のバイアス電圧Vbsが光量に応じた値になるまでの時間である、と考えることができる。バイアス電圧Vbsが光量に応じた値を採れば、上述のように、電流IPMOSが光量に応じた値を採るからである。
次に、光量と電流IPMOSとの関係について考慮する。受光素子10はMOS電界効果トランジスタと同様の構造を有しているので、受光素子10の各電圧の関係はこれに準拠すると考えることができる。よって閾値電圧Vthは以下の式で表すことができる。
+γ{√(2・φF+Vbs)−√(2・φF)}・・・(1)
ただし、Vth0はバイアス電圧Vbsが零であるときの閾値電圧Vthを示し、γは基板バイアス係数を示し、φFはフェルミポテンシャルを示す。
ただし、βは、チャネルのサイズおよび半導体層12の材質などによって決まる定数であり、A^BはAのB乗の値を示す。
さて、電流IPDは、ダイオードD1の特性から電圧VDに対して指数関数的に増大する。逆に言えば、電圧VDは電流IPDの対数に対して比例する。よって、バイアス電圧Vbsも電流IPDの対数に比例する。これを式で表すと以下のようになる。
ここで、LN(A)は底がネイピア定数であるAの指数を示す。
以上のように、電流IPMOSは光量Luxの対数にほぼ比例する。図7は、光量Luxと電流IPMOSとの関係の一例を概略的に示す実験結果であり、当該関係が折れ線グラフで示されている。図7に例示するように、電流IPMOSが光量Luxの対数にほぼ比例している。
図8は、画像センサ100のタイミングチャートの一例を概略的に示している。図8の例示では、信号NWR1,NWR2,SEL1,SEL2が示されている。信号NWR1,NWR2は、それぞれ第1行目および第2行目のリセット用信号線124に出力される信号であり、信号SEL1,SEL2は、それぞれ第1行目および第2行目の信号線122に出力される信号である。実際には、第3行目以降の信号線122およびリセット用信号線124にも信号が出力されるものの、図8では図示を省略している。
ゲート電極14がソース領域17およびドレイン領域18と異なる型の半導体(例えばN型の半導体)で形成される場合には、同じ型である場合に比べて、閾値電圧Vthが大きくなる。この場合には、閾値電圧Vthを低減するために、第2半導体層12のチャネル領域の不純物濃度を調整する必要がある。例えば、チャネル領域を第2半導体層12の表面ではなく、内部に設けた埋め込みチャネルが採用される。
複数の画素の110の閾値電圧Vthは、製造ばらつきによって互いに相違し得る。つまり閾値電圧Vthには、画素110間において、ばらつきが存在する。このような閾値電圧Vthのばらつきは、光量Luxに応じた電流IPMOSに誤差を生じさせる。なぜなら、式(2)から理解できるように、電流IPMOSは、ゲート電圧Vgsと閾値電圧Vthとの差に依存するからである。そこで、ここでは閾値電圧Vthのばらつきを吸収することを企図する。
図13は受光素子10の構成とその周辺回路の構成の一例を概略的に示す図である。図13では、リセットスイッチ20の構成の一例も示されている。例えばリセットスイッチ20はゲート電極21とドレイン領域22とソース領域23と絶縁層24とを備えている。ドレイン領域22およびソース領域23は例えば半導体層11の上部に形成される。ドレイン領域22およびソース領域23は半導体層11の型(ここではP型)とは別の型(ここではN型)の半導体層である。
また例えば電源電圧PVDDが大きいほど、消費電力は大きいので、電源電圧PVDDを低減することで、消費電力を低減できる。例えば図18では、電池310と電池残量検出部300とが設けられている。電池310は、いわゆるバッテリであって、上述の各回路に対して電源を供給する。電池残量検出部300は電池310の電池残量を検出し、これを画像センサ制御回路240へと出力する。
複数の画素110によって構成されるエリアを設定し、エリアごとに制御対象電圧を制御してもよい。これらの複数のエリアは一つの画像を構成し、例えば複数のエリアは互いに重複しない。また、各画素110は、いずれか一つのエリアに属する。例えば図19に示される通り、複数の画素110はマトリクス状に配置されている。図19の例示では、縦3個および横3個の合計9個の画素110によってエリアB1が形成される。これらのエリアB1もマトリクス状に配置されることとなる。
また、電源電圧制御回路141によって、画素110ごとに、あるいはエリアB1ごとに、電源電圧PVDDを制御できる。よって、電源電圧制御回路141は、その一部の画素110のみに対して、電源電圧PVDDを出力し、他の画素110に対しては電源電圧PVDDを出力しなくてもよい。これによれば、一部の画素110のみを動作させ、当該一部の画素110のみの画像センサ100を構築することができる。
11,12 半導体層
13 絶縁層
14 ゲート電極
15 ソース電極
16 ドレイン電極
20 リセットスイッチ
30 画素選択スイッチ
40 ゲート電圧発生部
42,130 電流読出部
140 電圧制御回路
141 電源電圧制御回路
142 ゲート電圧制御回路
143 ウェル電圧制御回路
Claims (9)
- 受光素子および電流読出部を備え、
前記受光素子は、
第1電源電位が印加される第1型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に形成され、前記第1半導体層との接合部において光を受ける第2型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の上部において、互いに間隔を空けて形成される前記第1型の第1領域および前記第1型の第2領域と、
前記第1領域の上に設けられ、前記第1電源電位とは異なる第2電源電位が印加される第1電極と、
前記第2領域の上に設けられる第2電極と、
前記第1領域と前記第2領域との間において、前記第2半導体層の上に形成される絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成され、ゲート電圧が印加されるゲート電極と
を有し、
前記電流読出部は、前記第1領域から前記第2領域へと流れる電流を、前記受光素子が受光した光量を反映する画素信号として検出する、画像センサ。 - 前記ゲート電極は前記第1型の半導体で形成される、請求項1に記載の画像センサ。
- リセット用電位が印加されるリセット用配線と、
前記第2半導体層と前記リセット用配線との間に設けられるリセットスイッチと
を更に備え、
前記リセットスイッチがオンして前記第2半導体層の電位を前記リセット用電位にリセットした後に、前記リセットスイッチがオフし、
前記電流読出部は、前記リセットスイッチがオフした時点から、予め決められた所定期間が経過したときに、前記電流を前記画素信号として検出する、請求項1または2に記載の画像センサ。 - 前記リセットスイッチがオンした状態で流れる前記電流を入力し、入力された前記電流と、予め定められた電流設定値との差が所定値よりも小さくなるように、前記ゲート電極に電圧を出力するゲート電圧発生部を備える、請求項3に記載の画像センサ。
- 複数のゲート用スイッチ、複数の画素選択スイッチおよび信号線を備え、
前記受光素子および前記リセットスイッチは複数設けられており、
前記複数の画素選択スイッチの各々は、前記複数の受光素子の各々と前記信号線との間に設けられており、
前記ゲート電圧発生部の出力端は、前記複数のゲート用スイッチを介してそれぞれ前記複数の受光素子の前記ゲート電極に接続され、
前記電流読出部は前記信号線を流れる電流を検出し、
前記ゲート電圧発生部は、前記複数の受光素子の一つに接続された前記リセットスイッチ、前記ゲート用スイッチおよび前記画素選択スイッチをオンした状態で前記信号線を流れる電流を、前記電流読出部から入力し、入力された電流と前記電流設定値との差が所定値よりも小さくなるように、電圧を出力する動作を、前記受光素子を異ならせて繰り返し行う、請求項4に記載の画像センサ。 - 受光素子、電流読出部および電圧制御部を備え、
前記受光素子は、
第1電源電位が印加される第1型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に形成される第2型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の上部において、互いに間隔を空けて形成される前記第1型の第1領域および前記第1型の第2領域と、
前記第1領域の上に設けられ、前記第1電源電位とは異なる第2電源電位が印加される第1電極と、
前記第2領域の上に設けられる第2電極と、
前記第1領域と前記第2領域との間において、前記第2半導体層の上に形成される絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成されるゲート電極と
を有し、
前記電流読出部は、前記第1領域から前記第2領域へと流れる電流を画素信号として検出し、
前記電圧制御部は、前記画素信号に基づいて、前記ゲート電極に印加するゲート電圧、前記第2電源電位および前記第2半導体層の電位の少なくともいずれかの制御対象電圧を制御する、画像センサ。 - 前記画素信号に基づいて、画像統計情報を算出する画像統処理部を更に備え、
前記電圧制御部は、前記画像統計情報に基づいて前記制御対象電圧を制御して、前記画像センサの感度またはダイナミックレンジを調整する、請求項6に記載の画像センサ。 - 前記受光素子の複数が配置され、
前記電圧制御部は、
前記複数の受光素子に対して設定される複数のエリアごとに前記制御対象電圧を制御する、請求項6または7に記載の画像センサ。 - 前記電圧制御部は前記受光素子の複数のうち一部の受光素子のみに前記第2電源電位を出力する、請求項6から8のいずれか一つに記載の画像センサ。
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