JP2016178408A - 固体撮像装置及びその駆動方法、並びに撮像システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ゲート絶縁膜の信頼性を維持しつつブルーミングによる画質劣化を抑制しうる固体撮像装置及びその駆動方法を提供する。
【解決手段】光電変換素子と、浮遊拡散層と、転送トランジスタと、リセットトランジスタと、増幅トランジスタとを含む画素と、浮遊拡散層の電位をリセットするためにリセットトランジスタをオンにするときにリセットトランジスタのゲートに第２の電圧を供給し、増幅トランジスタが浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力するときにリセットトランジスタのゲートに第３の電圧を供給し、光電変換素子が電荷を蓄積しているときにリセットトランジスタのゲートに第２の電圧と第３の電圧との間の第１の電圧を供給するように構成された制御部とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法、並びに撮像システムに関する。
光電変換部での電荷の蓄積期間中に浮遊拡散層と転送トランジスタのゲートとの間に生じる電界を緩和することによって、転送トランジスタのゲート絶縁膜の信頼性を維持するようにした固体撮像装置が提案されている。特許文献１には、蓄積期間中における浮遊拡散層の電圧と読み出し期間中における浮遊拡散層の電圧とを異なる電圧に設定することで、ゲート絶縁膜に高電界が印加される期間を短くすることが記載されている。
特開２００８−１９９１０１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、ブルーミングによって画質が低下する可能性があった。特許文献１に記載された固体撮像装置の駆動方法においては、その図３に示されるように、電荷蓄積期間の初期に０．５Ｖ程度のローレベルの電圧で浮遊拡散層のリセットを行う。その後、電荷蓄積期間のほとんどの期間において、リセットトランジスタをオフ状態に維持している。そのため、浮遊拡散層からのリーク電流により、浮遊拡散層の電位が低下していく可能性がある。そうすると、光電変換部から溢れ出した電荷を捕獲するオーバーフロードレインとしての機能が低下する。結果として、溢れ出した電荷が隣接画素の光電変換部に流れ込み、画素信号にブルーミングなどによるノイズ成分が重畳する可能性がある。
本発明の目的は、ゲート絶縁膜の信頼性を維持しつつブルーミングによる画質の低下を抑制しうる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。
本発明の一観点によれば、光電変換素子と、浮遊拡散層と、前記光電変換素子で生じた電荷を前記浮遊拡散層へ転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力する増幅トランジスタとを含む画素と、前記浮遊拡散層の電位をリセットするために前記リセットトランジスタをオンにするときに、前記リセットトランジスタのゲートに第２の電圧を供給し、前記増幅トランジスタが前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力するときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに第３の電圧を供給し、前記光電変換素子が電荷を蓄積しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第２の電圧と前記第３の電圧との間の第１の電圧を供給するように構成された制御部とを有することを特徴とする固体撮像装置が提供される。
また、本発明の他の一観点によれば、光電変換素子と、浮遊拡散層と、前記光電変換素子で生じた電荷を前記浮遊拡散層へ転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力する増幅トランジスタとを含む画素と、前記浮遊拡散層の電位をリセットするために前記リセットトランジスタをオンにするときに、前記リセットトランジスタのゲートに第２の電圧を供給し、前記転送トランジスタが前記電荷を転送しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに第３の電圧を供給し、前記光電変換素子が電荷を蓄積しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第２の電圧と前記第３の電圧との間の第１の電圧を供給するように構成された制御部とを有することを特徴とする固体撮像装置が提供される。
また、本発明の更に他の一観点によれば、光電変換素子と、浮遊拡散層と、前記光電変換素子で生じた電荷を前記浮遊拡散層へ転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力する増幅トランジスタと、を含む画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記浮遊拡散層の電位をリセットするために前記リセットトランジスタをオンにするときに、前記リセットトランジスタのゲートに第２の電圧を供給し、前記増幅トランジスタが前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力するときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに第３の電圧を供給し、前記光電変換素子が電荷を蓄積しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第２の電圧と前記第３の電圧との間の第１の電圧を供給することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法が提供される。
また、本発明の更に他の一観点によれば、光電変換素子と、浮遊拡散層と、前記光電変換素子で生じた電荷を前記浮遊拡散層へ転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力する増幅トランジスタと、を含む画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記浮遊拡散層の電位をリセットするために前記リセットトランジスタをオンにするときに、前記リセットトランジスタのゲートに第２の電圧を供給し、前記転送トランジスタが前記電荷を転送しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに第３の電圧を供給し、前記光電変換素子が電荷を蓄積しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第２の電圧と前記第３の電圧との間の第１の電圧を供給することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法が提供される。
本発明によれば、ゲート絶縁膜の信頼性を維持しつつブルーミングによる画質の低下を抑制することができる。
本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素部の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置のリセット制御回路の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法を説明するタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置のリセット制御回路の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の駆動方法を説明するタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態による撮像システムの構成例を示すブロック図である。
本発明の実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法、並びに撮像システムについて、図面を参照しつつ以下に説明する。以下の説明では、画素に含まれるトランジスタがＮチャネルＭＯＳトランジスタである場合を例にして説明するが、画素のトランジスタがＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成される場合にも本発明を適用可能である。この場合には、ＭＯＳトランジスタのソース、ドレイン、ゲートに印加される電圧は、以下に述べる実施形態の記載に対し、適宜変更されうる。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施形態による固体撮像装置の画素の構成例を示す図である。図２は、本実施形態による固体撮像装置のリセット制御回路の一例を示す図である。図３は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を説明するタイミングチャートである。
はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図１及び図２を用いて説明する。
本実施形態による固体撮像装置は、図１に示すように、複数の画素１０１が行方向及び列方向に沿って２次元状に配列された撮像領域１００を有している。図１には、撮像領域１００を構成する複数の画素１０１のうち、第ｍ列及び第ｍ＋１列の第ｎ行及び第ｎ＋１行に位置する４つの画素１０１のみを示している。図１中、画素１０１（ｍ，ｎ）は、第ｍ列、第ｎ行に属する画素１０１を表している。同様に、画素１０１（ｍ＋１，ｎ）は、第ｍ＋１列、第ｎ行に属する画素１０１を表している。画素１０１（ｍ，ｎ＋１）は、第ｍ列、第ｎ＋１行に属する画素１０１を表している。画素１０１（ｍ＋１，ｎ＋１）は、第ｍ＋１列、第ｎ＋１行に属する画素１０１を表している。
それぞれの画素１０１は、光電変換素子１０２、転送トランジスタ１０３、リセットトランジスタ１０５、増幅トランジスタ１０６、選択トランジスタ１０７を有している。フォトダイオードである光電変換素子１０２のアノードは接地電圧線に接続され、光電変換素子１０２のカソードは転送トランジスタ１０３のソースに接続されている。転送トランジスタ１０３のドレインは、リセットトランジスタ１０５のソース及び増幅トランジスタ１０６のゲートに接続されている。転送トランジスタ１０３のドレイン、リセットトランジスタ１０５のソース及び増幅トランジスタ１０６のゲートの接続ノードは、浮遊拡散層１０４を構成している。リセットトランジスタ１０５及び増幅トランジスタ１０６のドレインは、電源電圧線１１３に接続されている。増幅トランジスタ１０６のソースは、選択トランジスタ１０７のドレインに接続されている。
撮像領域１００に配列された画素１０１の各行には、行方向に延在する転送ゲート制御線１０８、リセットゲート制御線１０９及び行選択制御線１１０が、それぞれ配置されている。図１には、後述する説明の便宜上、各制御線の参照符号に、撮像領域１００内の行番号に対応する添え字、（ｎ）又は（ｎ＋１）を付記している。転送ゲート制御線１０８、リセットゲート制御線１０９及び行選択制御線１１０は、行方向に並ぶ画素１０１に共通の信号線をなしている。転送ゲート制御線１０８は、対応する行に属する複数の画素１０１の転送トランジスタ１０３のゲートに接続されている。転送ゲート制御線１０８は、バッファ１１８を介して垂直走査回路１１４に接続されている。リセットゲート制御線１０９は、対応する行に属する複数の画素１０１のリセットトランジスタ１０５のゲートに接続されている。リセットゲート制御線１０９は、リセット制御回路１１５及び複数の制御線１１６，１１７を介して垂直走査回路１１４に接続されている。行選択制御線１１０は、対応する行に属する複数の画素１０１の選択トランジスタ１０７のゲートに接続されている。行選択制御線１１０は、バッファ１１９を介して垂直走査回路１１４に接続されている。
撮像領域１００に配列された画素１０１の各列には、列方向に延在する垂直出力線１１１が配置されている。図１には、後述する説明の便宜上、垂直出力線１１１の参照符号に、撮像領域１００内の列番号に対応する添え字、（ｍ）又は（ｍ＋１）を付記している。垂直出力線１１１は、列方向に並ぶ画素１０１の選択トランジスタ１０７のソースに接続されており、これら画素１０１に共通の信号線をなしている。垂直出力線１１１には、定電流源１１２と、図示しない列読み出し回路が接続されている。
光電変換素子１０２は、入射した光の量に応じた信号電荷を生成する。転送トランジスタ１０３は、光電変換素子１０２において生成され蓄積されている電荷を浮遊拡散層１０４に転送するためのものである。浮遊拡散層１０４は、ウェルとの間の接合容量や、転送トランジスタ１０３等のゲート電極との間の絶縁膜容量などを含む素子の寄生容量で形成されており、転送トランジスタ１０３を介して転送された電荷をその量に応じた電圧に変換する。リセットトランジスタ１０５は、浮遊拡散層１０４を、信号電圧レベルを取得する上での基準となる所定電位に設定する際に用いられるスイッチである。一般的には、当該所定電位として電源電圧を用いて浮遊拡散層１０４における信号出力の動作電圧範囲を広げることで、十分なダイナミックレンジを確保している。なお、本明細書では、浮遊拡散層１０４のリセットに用いる電源電圧を、リセット電源電圧と呼ぶことがある。増幅トランジスタ１０６は、浮遊拡散層１０４に蓄積された電荷の量に応じた信号を垂直出力線１１１に出力するためのものである。選択トランジスタ１０７は、読み出す画素１０１の選択、すなわち、増幅トランジスタ１０６と垂直出力線１１１との間の接続を制御するためのものである。垂直走査回路１１４は、撮像領域１００の各画素１０１から画素信号を読み出す際に、各画素１０１の転送トランジスタ１０３、リセットトランジスタ１０５、選択トランジスタ１０７に対して、行毎に動作に必要な所望の制御信号を供給するための制御部である。
図２は、リセット制御回路１１５の一例を示す回路図である。リセット制御回路１１５は、図２に示すように、インバータ１２０と、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２１，１２２，１２３，１２４と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２５，１２６とを含む。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２３及びＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２５は、バッファ回路の入力段のインバータ回路を構成している。また、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２４及びＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２６は、バッファ回路の出力段のインバータ回路を構成している。インバータ１２０、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２１，１２２は、バッファ回路の出力段のインバータ回路に供給するハイレベルの電圧を切り換える電源切り替え回路を構成している。また、リセット制御回路１１５は、２つの入力端子１１６，１１７、１つの出力端子１０９、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が入力される電圧供給端子Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を有している。なお、入力端子１１６，１１７は、垂直走査回路１１４とリセット制御回路１１５とを接続する制御線１１６，１１７に接続される端子であり、ここではこれら制御線１１６，１１７と同じ符号で表している。同様に、出力端子１０９は、リセットゲート制御線１０９に接続される端子であり、ここではリセットゲート制御線１０９と同じ符号で表している。
入力端子１１６は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２３のゲート及びＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２５のゲートに接続されている。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２３は、ソースが電源電圧線ＶＤＤに接続され、ドレインがＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２５のドレインに接続されている。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２５のソースは、接地電圧線に接続されている。これにより、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２３及びＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２５は、バッファ回路の入力段のインバータ回路を構成している。
入力段のインバータ回路の出力端子は、バッファ回路の出力段のインバータ回路の入力端子であるＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２４のゲート及びＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２６のゲートに接続されている。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２４は、ソースがＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２１，１２２のドレインに接続され、ドレインがＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２６のドレインに接続されている。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２６のソースは、電圧供給端子Ｖ３に接続されている。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２４のドレインとＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２６のドレインとの接続ノードは、出力端子１０９を構成している。
入力端子１１７は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２２のゲートに、また、インバータ１２０を介してＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２１のゲートに、それぞれ接続されている。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２１のソースは、電圧供給端子Ｖ１に接続されている。ＰチャネルＭＯＳトランジスタ１２２のソースは、電圧供給端子Ｖ２に接続されている。
このように、リセット制御回路１１５は、入力端子１１６に入力された論理値をそのまま伝達するバッファ回路と、バッファ回路の出力段のインバータ回路に供給するハイレベルの電圧を切り替える電源切り替え回路とで構成されている。リセット制御回路１１５は、垂直走査回路１１４からの入力端子１１６及び入力端子１１７への二つの入力に従って、電圧Ｖ１、電圧Ｖ２又は電圧Ｖ３のうちのいずれかの電圧を出力端子１０９より出力する。
ここで電圧Ｖ２は、リセットトランジスタ１０５がオン状態となる電位であり、且つ、所定期間内にリセットトランジスタ１０５のソースの電位が、電源電圧が供給されているドレインの電位と同電位になる程度にオン抵抗が十分に低くなる電位である。固体撮像装置の動作との関係で説明すると、電圧Ｖ２は、浮遊拡散層１０４の電位をリセットするためにリセットトランジスタ１０５をオンにするときに、リセットトランジスタ１０５のゲートに供給される電圧である。リセットトランジスタ１０５がデプレッション型のＭＯＳトランジスタであれば、電圧Ｖ２がリセットトランジスタ１０５のドレイン電圧と同程度の電圧でも同様のオン抵抗を得られる。電圧Ｖ２に関する前者或いは後者の場合共に、リセットトランジスタ１０５のオン状態での抵抗制御によって、浮遊拡散層１０４はいずれの画素においても同じ電源電圧に設定されることから、同相信号除去比の残留成分を抑制していることになる。
電圧Ｖ３は、リセットトランジスタ１０５がオフ状態となる電位であり、且つ、信号出力に伴う浮遊拡散層１０４の動作電圧範囲内においてオフ状態が維持されるよう十分に低電位に設定される。固体撮像装置の動作との関係で説明すると、電圧Ｖ３は、増幅トランジスタ１０６が浮遊拡散層１０４の電位に基づく信号を出力するときに、リセットトランジスタ１０５のゲートに供給される電圧である。或いは、転送トランジスタ１０３が電荷を転送しているときにリセットトランジスタ１０５のゲートに供給される電圧である。画素信号を読み出す際にリセットトランジスタ１０５のゲートにこのような電圧Ｖ３を供給することにより、十分なダイナミックレンジを確保することができる。
電圧Ｖ１は、電圧Ｖ２より低電位であり、リセットトランジスタ１０５がサブスレッショルド領域で動作するようオン抵抗が高い状態に設定される。すなわち、電圧Ｖ１、電圧Ｖ２及び電圧Ｖ３は、Ｖ３＜Ｖ１＜Ｖ２、の関係を満たすように設定される。固体撮像装置の動作との関係で説明すると、電圧Ｖ１は、光電変換素子１０２が電荷を蓄積しているとき（電荷蓄積期間）に、リセットトランジスタ１０５のゲートに供給される電圧である。ここで、電圧Ｖ１をこのような値に設定する理由について、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド領域における特性をも含めて以下に説明する。
一般的に、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド領域におけるドレイン−ソース間電流Ｉｄｓは、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓに対数比例する。Ｉｄｓ−Ｖｇｓ特性を片対数グラフで表したときのサブスレッショルド領域における直線の傾きはＳ係数と呼ばれ、トランジスタの特性を表す指標として用いられることがある。Ｓ係数は、一般に１００［ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ］程度であり、トランジスタの構造によっておおよその値が決まる。また、典型的なＭＯＳトランジスタにおいて、サブスレッショルド領域における単位ゲート幅あたりのドレイン−ソース間電流Ｉｄｓは、閾値電圧近傍でおよそ１×１０−７［Ａ／μｍ］程度であり、閾値電圧以下ではＳ係数に従って小さくなる。
ここで一例として、電圧Ｖ２及び電源電圧が５［Ｖ］であり、電圧Ｖ１が４［Ｖ］である場合を想定する。リセットトランジスタ１０５のゲートに電圧Ｖ２を印加し、ソースである浮遊拡散層１０４の電位が５［Ｖ］まで到達したとき、ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓが、閾値電圧Ｖｔｈ付近のときの値である１×１０−７［Ａ］となる場合を考える。つまり、Ｖｇｓ＝０［Ｖ］≒ＶｔｈのときＩｄｓ＝１×１０−７［Ａ］となるリセットトランジスタ１０５を想定する。なお、ここでは簡略化のため、基板バイアス効果による閾値電圧の変化による影響については割愛する。
このリセットトランジスタ１０５のゲートの電位が、電圧Ｖ２である５［Ｖ］から電圧Ｖ１である４［Ｖ］に遷移したとき、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓの変化量ΔＶｇｓは−１０００［ｍＶ］となる。この状態でリセットトランジスタ１０５がとり得るドレイン−ソース間電流Ｉｄｓは、Ｓ係数を１００［ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ］とすると、以下のようになる。
Figure 2016178408
この状態で、浮遊拡散層１０４に、ゲートリーク電流や飽和したフォトダイオードから溢れ出たブルーミング電流が流れ込んだ場合を想定する。これらの電流が１×１０−１２［Ａ］であった場合、リセットトランジスタ１０５にこの電流１×１０-１２［Ａ］が流れ、以下の式が成立する。
Figure 2016178408
この式を満足するゲート−ソース間電圧Ｖｇｓの変化量ΔＶｇｓは、−５００［ｍＶ］である。つまり、浮遊拡散層１０４にゲートリーク電流やブルーミング電流などの電流が流れ込むと、浮遊拡散層１０４では、流入した電流がリセットトランジスタ１０５のドレイン−ソース間電流Ｉｄｓと釣り合うように電位降下が生じ、所定の電圧となる。言わば、浮遊拡散層１０４の電位がリセットトランジスタ１０５のゲートによってクリップされ、浮遊拡散層１０４の電位は（ゲート電圧−閾値電圧Ｖｔｈ）よりも下には下がらない。上記の例では、浮遊拡散層１０４が５［Ｖ］のときに１×１０−１７［Ａ］の電流を流せる状態であるリセットトランジスタ１０５に１×１０−１２［Ａ］の電流が流入することによって、浮遊拡散層１０４の電位は４．５［Ｖ］となる。
このように、リセットトランジスタ１０５のゲートに上述の電圧Ｖ１を印加することで、浮遊拡散層１０４の電位は、浮遊拡散層１０４に流れ込む電流の量に応じた電位に設定されることになる。また、浮遊拡散層１０４の電位が高いほど飽和したフォトダイオードから溢れ出たブルーミング電流はその浮遊拡散層１０４に流れ込む割合が高くなるため、特に電流量の大きい画素１０１を除いては浮遊拡散層１０４の電位を高く保つことが得策である。
例えば、光電変換素子１０２への電荷の蓄積期間中において、オフ状態にある転送トランジスタ１０３と浮遊拡散層１０４との間に強い電界が印加された状態になることがある。このような場合、ゲート絶縁膜の製造時のバラツキ等によって比較的ゲートリーク電流が大きい転送トランジスタ１０３を含む画素１０１では、浮遊拡散層１０４に流入したゲートリーク電流によって浮遊拡散層１０４の電位が下がる。その結果、転送トランジスタ１０３のゲートと浮遊拡散層１０４との間の電界が緩和されることになる。つまり、ゲートリーク電流の大きさに応じて自己整合的に転送トランジスタ１０３のゲートと浮遊拡散層１０４との間の電界を緩和し、電界下でのゲート絶縁膜の耐久信頼性向上に寄与することができる。浮遊拡散層１０４の電位を高く保つことで、フォトダイオードが飽和電荷量に達した後に溢れ出た電荷が他の画素１０１に偽信号として漏れ出すブルーミング現象に対してもオーバーフロードレインとして作用するため、ブルーミングによる画質劣化も抑制できる。なお、転送トランジスタ１０３がオンしている期間に、増幅トランジスタ１０６が信号を出力していない駆動方法の場合、転送トランジスタ１０３がオンしている期間の少なくとも一部においてリセットトランジスタ１０５のゲートに上述の電圧Ｖ３が印加される。この場合に、蓄積期間中においてリセットトランジスタ１０５のゲートに電圧Ｖ１を印加することにより、ブルーミングによる画質劣化を抑制する効果を得ることができる。
なお、リセットトランジスタ１０５のゲートに上述の電圧Ｖ３を印加した場合、リセットトランジスタ１０５は完全にオフ状態であり、ゲートリーク電流やブルーミング電流が流れ込むことにより、浮遊拡散層１０４の電位は下がり続けることになる。また、リセットトランジスタ１０５のゲートに上述の電圧Ｖ２を印加した場合、リセットトランジスタ１０５は完全にオン状態であり、浮遊拡散層１０４の電位は変動しない。したがって、リセットトランジスタ１０５のゲートに電圧Ｖ２又は電圧Ｖ３を印加した場合は、リセットトランジスタ１０５のゲートに電圧Ｖ１を印加したときに得られる上述の効果を実現することはできない。
次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について図１乃至図３を用いて説明する。図３は、本実施形態による固体撮像装置の２行分の画素の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図３において、時刻ｔ１〜時刻ｔ６の期間が第ｎ行目の画素の読み出し期間であり、時刻ｔ６〜時刻ｔ１１の期間が第ｎ＋１行目の画素の読み出し期間である。なお、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間は、第ｎ−１行目の画素の読み出し期間の最後の一部である。また、図３において、信号ＰＳＥＬ（ｎ）は、第ｎ行目の行選択制御線１１０（ｎ）の信号レベルを表し、信号ＰＳＥＬ（ｎ＋１）は、第ｎ＋１行目の行選択制御線１１０（ｎ＋１）の信号レベルを表す。信号ＰＲＥＳ（ｎ）は第ｎ行目のリセットゲート制御線１０９（ｎ）の信号レベルを表し、信号ＰＲＥＳ（ｎ＋１）は第ｎ＋１行目のリセットゲート制御線１０９（ｎ＋１）の信号レベルを表す。信号ＰＴＸ（ｎ）は第ｎ行目の転送ゲート制御線１０８（ｎ）の信号レベルを表し、信号ＰＴＸ（ｎ＋１）は第ｎ＋１行目の転送ゲート制御線１０８（ｎ＋１）の信号レベルを表す。
時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間において、行選択制御線１１０（ｎ），１１０（ｎ＋１）、転送ゲート制御線１０８（ｎ），１０８（ｎ＋１）は、垂直走査回路１１４により、ローレベルの電位とされている。また、リセットゲート制御線１０９（ｎ），１０９（ｎ＋１）は、垂直走査回路１１４により、リセット制御回路１１５を介して、電圧Ｖ１の電位に設定されている。
次いで、時刻ｔ１において、垂直走査回路１１４は、行選択制御線１１０（ｎ）の信号ＰＳＥＬ（ｎ）をローレベルの電位からハイレベルの電位へと遷移し、第ｎ行目の画素１０１の選択トランジスタ１０７をオン状態にする。これにより、第ｎ行目の画素１０１は、選択状態となる。
同じく時刻ｔ１において、垂直走査回路１１４は、リセット制御回路１１５により、リセットゲート制御線１０９（ｎ）を電圧Ｖ１の電位から電圧Ｖ２の電位に遷移し、第ｎ行目の画素１０１のリセットトランジスタ１０５をオン状態にする。これにより、リセットトランジスタ１０５のドレインに供給されている電源電圧（リセット電源電圧）が浮遊拡散層１０４に供給される。
次いで、時刻ｔ２において、垂直走査回路１１４は、リセット制御回路１１５によりリセットゲート制御線１０９（ｎ）を電圧Ｖ２の電位から電圧Ｖ３の電位に遷移し、第ｎ行目の画素１０１のリセットトランジスタ１０５をオフ状態にする。これにより、浮遊拡散層１０４が電源から切り離され、浮遊拡散層１０４のリセット動作が完了する。
次いで、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間において、浮遊拡散層１０４のリセット電位に応じたレベルの画素信号（以下、「Ｎ信号」と表記する）の読み出しを行う。時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間において、選択トランジスタ１０７はオン状態であり、増幅トランジスタ１０６のソースは選択トランジスタ１０７を介して垂直出力線１１１に接続されている。つまり、増幅トランジスタ１０６は、垂直出力線１１１及び選択トランジスタ１０７を介して定電流源１１２からソースにバイアス電流が供給された状態であり、ソースフォロワ回路を構成している。これにより、垂直出力線１１１には、浮遊拡散層１０４のリセット電圧に応じたレベルの信号（Ｎ信号）が、増幅トランジスタ１０６により増幅されて、選択トランジスタ１０７を介して出力される。垂直出力線１１１に出力されたＮ信号は、垂直出力線１１１に接続された図示しない列読み出し回路を介して読み出される。
次いで、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間において、垂直走査回路１１４は、転送ゲート制御線１０８（ｎ）の信号ＰＴＸ（ｎ）をローレベルの電位からハイレベルの電位へと遷移し、第ｎ行目の画素１０１の転送トランジスタ１０３をオン状態にする。これにより、光電変換素子１０２と浮遊拡散層１０４とが転送トランジスタ１０３を介して接続され、光電変換素子１０２に蓄積されていた信号電荷が転送トランジスタ１０３を介して浮遊拡散層１０４に転送される。時刻ｔ４において転送ゲート制御線１０８（ｎ）の信号ＰＴＸ（ｎ）がローレベルの電位へと遷移されると、浮遊拡散層１０４が光電変換素子１０２から切り離され、浮遊拡散層１０４への信号電荷の転送動作が完了する。信号電荷が浮遊拡散層１０４に転送されることにより、浮遊拡散層１０４では、その容量によって、転送された信号電荷の量に応じた電圧の変化が生じる。なお、時刻ｔ４以降、光電変換素子１０２では、次フレームのための信号電荷の蓄積期間が開始する。
次いで、時刻ｔ４〜時刻ｔ５の期間において、信号電荷が転送された浮遊拡散層１０４の電位に応じたレベルの画素信号（以下、「Ｓ信号」と表記する）の読み出しを行う。時刻ｔ４〜時刻ｔ５の期間において、選択トランジスタ１０７はオン状態であり、増幅トランジスタ１０６のソースは選択トランジスタ１０７を介して垂直出力線１１１に接続されている。つまり、増幅トランジスタ１０６は、垂直出力線１１１及び選択トランジスタ１０７を介して定電流源１１２からソースにバイアス電流が供給された状態であり、ソースフォロワ回路を構成している。これにより、垂直出力線１１１には、信号電荷が転送された浮遊拡散層１０４の電位に応じたレベルの信号（Ｓ信号）が、増幅トランジスタ１０６により増幅されて、選択トランジスタ１０７を介して出力される。垂直出力線１１１に出力されたＳ信号は、垂直出力線１１１に接続された図示しない列読み出し回路を介して読み出される。
次いで、時刻ｔ５〜時刻ｔ６の期間において、垂直走査回路１１４は、リセット制御回路１１５によりリセットゲート制御線１０９（ｎ）を電圧Ｖ３から電圧Ｖ２に遷移し、リセットトランジスタ１０５をオン状態にする。これにより、リセットトランジスタ１０５のドレインに供給されている電源電圧が浮遊拡散層１０４に供給される。
次いで、時刻ｔ６において、垂直走査回路１１４は、リセット制御回路１１５によりリセットゲート制御線１０９（ｎ）を電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に遷移する。これにより浮遊拡散層１０４は、流入する電流の量に応じた電位に維持することができ、ブルーミングによる画質の劣化を防止することができる。また、転送トランジスタ１０３と浮遊拡散層１０４との間の電界を緩和するように作用し、ゲート絶縁膜の劣化を抑制することができる。
また、同じく時刻ｔ６において、垂直走査回路１１４は、行選択制御線１１０（ｎ）の信号ＰＳＥＬ（ｎ）をハイレベルの電位からローレベルの電位へと遷移し、第ｎ行目の画素１０１の選択トランジスタ１０７をオフ状態にする。これにより、第ｎ行目の画素１０１は、選択状態となり、第ｎ行の読み出し動作を終了する。
また、同じく時刻ｔ６において、垂直走査回路１１４は、行選択制御線１１０（ｎ＋１）の信号ＰＳＥＬ（ｎ＋１）をローレベルの電位からハイレベルの電位へと遷移し、第ｎ＋１行目の画素１０１の選択トランジスタ１０７をオン状態にする。これにより、第ｎ＋１行目の画素１０１は、選択状態となる。
この後、時刻ｔ６〜時刻ｔ１１の期間において、時刻ｔ１〜時刻ｔ６の期間における第ｎ行目の画素１０１の読み出し動作と同様にして、第ｎ＋１行目の画素１０１の読み出し動作が行われる。第ｎ＋２行目以降の画素１０１についても、同様の手順により順次、読み出し動作が行われる。
このように、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法では、読み出し動作が行われる期間を除く信号電荷の蓄積期間において、リセットトランジスタ１０５のゲートの電位を電圧Ｖ１に設定している。例えば、図３における第ｎ行目を例に挙げると、信号電荷の蓄積期間のうち、時刻ｔ１よりも前の期間と、時刻ｔ６以降の期間とにおいて、リセットトランジスタ１０５のゲートの電位を電圧Ｖ１に設定している。したがって、転送トランジスタ１０３のゲートと浮遊拡散層１０４との間に強電界が印加される期間を短くすることができる。
なお、Ｎ信号の読み出し期間に浮遊拡散層１０４に現れる電圧をＶｆｄ１、Ｓ信号の読み出し期間に浮遊拡散層１０４に現れる電圧をＶｆｄ２とすると、その差分電圧（Ｖｆｄ１−Ｖｆｄ２）は、以下のように表すことができる。ここで、Ｑは浮遊拡散層１０４に転送された信号電荷の量、Ｃｆｄは浮遊拡散層１０４の容量である。
Ｖｆｄ１−Ｖｆｄ２＝Ｑ／Ｃｆｄ
つまり、浮遊拡散層１０４の電位に対応した増幅トランジスタ１０６の出力を取得するにあたり、電圧をＶｆｄ１に基づく信号と電圧をＶｆｄ２に基づく信号とをサンプリングし、これらの差分を抽出することによって、正確な信号電荷を得ることができる。特に、完全空乏型フォトダイオードのような、生成した信号電荷を１つ残らず浮遊拡散層１０４に転送できる光電変換素子１０２を用いた場合は、転送トランジスタ１０３のゲートオフ時のｋＴＣノイズも現れない。したがって、非常に品質の良い信号電荷を得ることができる。
このように、本実施形態によれば、ブルーミングによる画質劣化を抑制しつつ、ゲート電極周辺の電界に対する耐久信頼性を維持した固体撮像装置を実現することができる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図４及び図５を用いて説明する。図１乃至図３に示す第１実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
図４は、本実施形態による固体撮像装置のリセット制御回路の一例を示す図である。図５は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法を説明するタイミングチャートである。
はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図４を用いて説明する。
本実施形態による固体撮像装置は、リセット制御回路１１５の構造が異なるほかは、第１実施形態による固体撮像装置と同様である。本実施形態のリセット制御回路１１５は、第１実施形態のリセット制御回路１１５に、バッファ回路の出力段のインバータ回路に供給するローレベルの電圧を切り替える電源切り替え回路を更に付加したものである。すなわち、本実施形態のリセット制御回路１１５は、図４に示すように、この電源切り換え回路が、電圧供給端子Ｖ３の代わりに、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２６のソースに接続されているほかは、第１実施形態のリセット制御回路１１５と同様である。
バッファ回路の出力段のインバータ回路に供給するローレベルの電圧を切り替える電源切り替え回路は、インバータ１２７と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２８，１２９と、入力端子１３０と、電圧供給端子Ｖ４，Ｖ５とを有している。入力端子１３０には、垂直走査回路１１４から所定の制御信号が出力される。入力端子１３０は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２９のゲートに、また、インバータ１２７を介してＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２８のゲートに、それぞれ接続されている。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２８，１２９のドレインは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２６のソースに接続されている。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２８のソースは、電圧供給端子Ｖ４に接続されている。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１２９のソースは、電圧供給端子Ｖ５に接続されている。
このように、本実施形態のリセット制御回路１１５は、バッファ回路の出力段のインバータ回路に供給するローレベルの電圧を切り替える電源切り替え回路を更に有している。これにより、リセット制御回路１１５は、垂直走査回路１１４からの入力端子１１６、入力端子１１７及び入力端子１３０への三つの入力に従って、電圧Ｖ１、電圧Ｖ２、電圧Ｖ４又は電圧Ｖ５のうちのいずれかの電圧を出力端子１０９より出力する。電圧Ｖ１、電圧Ｖ２、電圧Ｖ４及び電圧Ｖ５は、Ｖ５＜Ｖ４＜Ｖ１＜Ｖ２、の関係を有している。
次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図５を用いて説明する。
本実施形態による固体撮像装置の駆動方法では、第ｎ行目の画素１０１のＮ信号の読み出し期間である時刻ｔ２〜時刻ｔ３の間に、垂直走査回路１１４は、リセット制御回路１１５によりリセットゲート制御線１０９（ｎ）を電圧Ｖ４に設定する。また、Ｓ信号の読み出し期間を含む時刻ｔ３〜時刻ｔ５の間に、垂直走査回路１１４は、リセット制御回路１１５によりリセットゲート制御線１０９（ｎ）を電圧Ｖ５に設定する。その他の行の画素、例えば第ｎ＋１行目の画素１０１の読み出し期間である時刻ｔ７〜時刻ｔ１０の期間においても同様である。他の期間については、第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法と同様である。
電圧Ｖ４は、電荷の蓄積期間中に印加する電圧Ｖ１と同等或いはそれ以下の電圧であり、Ｎ信号の読み出し期間にリセットトランジスタ１０５のゲートに印加する電圧として設定される。これにより、太陽光などの強い光が浮遊拡散層１０４に照射された場合などにおいて、浮遊拡散層１０４を構成するＰＮ接合における光電変換によって発生する光電流による電位降下を抑えることができる。これには、強度の強い光による光電流によって、画像において太陽の中央が黒沈みする等の画質の劣化を抑える効果がある。
電圧Ｖ５は、電圧Ｖ４よりも低電位の電圧であり、Ｓ信号の読み出し期間にリセットトランジスタ１０５のゲートに印加する電圧として設定される。電圧Ｖ５は、信号電荷により浮遊拡散層１０４に現れる信号電圧に影響を与えない必要最小限の電圧に設定される。これには、強い光によって画像信号の飽和レベル以上の電圧振幅が発生することによって電源電位やグラウンド電位が振られ、同時に読まれる行に偽信号が重畳することにより生じる横方向のスミア現象を抑える効果がある。
このように、本実施形態によれば、ブルーミングによる画質劣化を抑制しつつ、ゲート電極周辺の電界に対する耐久信頼性を維持した固体撮像装置を提供することができる。また、太陽光などの強度の高い入射光による画質劣化を抑えることが可能となる。
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による撮像システムについて、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態による撮像システムの構成例を示すブロック図である。
本実施形態による撮像システム５００は、特に限定されるものではないが、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星等に適用可能である。
撮像システム５００は、図６に示すように、レンズ部５０１、レンズ駆動装置５０２、シャッタ５０３、シャッタ駆動装置５０４、固体撮像装置５０５、撮像信号処理回路５０６、タイミング発生部５０７を有している。また、撮像システム５００は、メモリ部５０８、全体制御・演算部５０９、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部５１０、外部Ｉ／Ｆ部５１２、測光装置５１３を有している。
固体撮像装置５０５は、前述の第１又は第２実施形態による固体撮像装置である。レンズ部５０１は、被写体の光学像を固体撮像装置５０５に結像するための光学系であり、レンズ駆動装置５０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。シャッタ５０３は、メカニカルシャッタであり、シャッタ駆動装置５０４によって制御される。レンズ部５０１により結像された被写体像は、固体撮像装置５０５によって画像信号として取り込まれる。撮像信号処理回路５０６は、固体撮像装置５０５から出力された画像信号に対して各種の補正を行ったり、データを圧縮したりするためのものである。タイミング発生部５０７は、固体撮像装置５０５及び撮像信号処理回路５０６に、各種タイミング信号を出力するためのものである。全体制御・演算部５０９は、各種演算と撮像システム５００の全体を制御するための制御回路である。メモリ部５０８は、撮像信号処理回路５０６から出力された画像データを一時的に記憶するためのものである。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部５１０は、記録媒体５１１への記録又は読み出しを行うためのインターフェースである。記録媒体５１１は、画像データの記録又は読み出しを行うためのものであり、例えば、着脱可能な半導体メモリ等である。外部Ｉ／Ｆ部５１２は、外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。
次に、本実施形態による撮像システムの動作について説明する。
メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路５０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
次いで、レリーズボタン（図示せず）が押されると、固体撮像装置５０５から出力されるデータを元に測距演算を行い、測距結果に基づいて被写体までの距離の演算を全体制御・演算部５０９で行う。その後、レンズ駆動装置５０２によりレンズ部５０１を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ部５０１を駆動し測距を行う。測距演算は、固体撮像装置５０５から出力されるデータを用いる以外にも、測距専用の装置（図示せず）から出力されるデータを用いて行っても良い。
そして、合焦が確認された後に、撮影動作が開始する。撮影動作が終了すると、固体撮像装置５０５から出力された画像信号は撮像信号処理回路５０６で画像処理をされ、全体制御・演算部５０９によりメモリ部５０８に書き込まれる。撮像信号処理回路５０６では、並べ替え処理、加算処理やその選択処理が行われる。メモリ部５０８に蓄積されたデータは、全体制御・演算部５０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部５１０を介して記録媒体５１１に記録される。撮像信号処理回路５０６で画像処理を行った画像信号は、外部Ｉ／Ｆ部５１２を介して直接コンピュータ等に入力し、画像の加工を行うようにしても良い。
このようにして、第１又は第２実施形態による固体撮像装置を適用した撮像システムを構成することにより、ブルーミング等による画質劣化を抑制した良質の画像を取得できるとともに信頼性の高い撮像システムを実現することができる。
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記第１実施形態では、電圧Ｖ１、電圧Ｖ２及び電圧Ｖ３の大小関係を、Ｖ３＜Ｖ１＜Ｖ２として説明したが、これは、リセットトランジスタ１０５がＮチャネルＭＯＳトランジスタにより構成されている場合である。リセットトランジスタ１０５がＰチャネルＭＯＳトランジスタにより構成されている場合には、これら電圧の大小関係は、Ｖ３＞Ｖ１＞Ｖ２となる。これらを総括すると、電圧Ｖ１は、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３との間の電圧であるといえる。
また、上記第２実施形態では、電圧Ｖ３が、電圧Ｖ４と電圧Ｖ５とを含む場合において、電圧Ｖ４と電圧Ｖ５との大小関係をＶ５＜Ｖ４として説明したが、これは、リセットトランジスタ１０５がＮチャネルＭＯＳトランジスタにより構成されている場合である。リセットトランジスタ１０５がＰチャネルＭＯＳトランジスタにより構成されている場合には、これら電圧の大小関係は、Ｖ５＞Ｖ４となる。これらを総括すると電圧Ｖ４は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ５との間の電圧であるといえる。
また、上記実施形態では、転送トランジスタ１０３のゲートに印加する電圧のレベルを、ローレベル及びハイレベルとしたが、ローレベルの電位を接地電位よりも低くして、電荷蓄積期間中に光電変換素子１０２に流入する暗電流を低減するようにしてもよい。この場合の転送トランジスタ１０３のゲートへの印加電圧を電圧Ｖ６とすると、他の電圧との電圧の大小関係は、Ｖ６＜Ｖ３＜Ｖ１となる。転送トランジスタ１０３がＰチャネルＭＯＳトランジスタにより構成されている場合には、これら電圧の大小関係は、Ｖ６＞Ｖ３＞Ｖ１となる。これらを総括すると電圧Ｖ３は、電圧Ｖ６と電圧Ｖ１との間の電圧であるといえる。
また、図１に示した画素１０１の回路構成は一例であり、本発明の固体撮像装置に適用可能な画素回路はこれに限定されるものではない。また、図２及び図４に示したリセット制御回路１１５の回路構成も、所望の電圧の切り替え機能を実現しうるものであれば、これらの例に限定されるものではない。
また、第３実施形態に示した撮像システムは、本発明の固体撮像装置を適用しうる撮像システムの一例を示したものであり、本発明の固体撮像装置を適用可能な撮像システムは図６に示した構成に限定されるものではない。
また、上記実施形態において示した電圧や電流の具体例は、説明の便宜上例示したものであって、これらに限定されるものではなく、トランジスタの特性等に応じて適宜設定されるべきものである。
また、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
１０１：画素
１０２：光電変換素子
１０３：転送トランジスタ、
１０４：浮遊拡散層
１０５：リセットトランジスタ
１０６：増幅トランジスタ
１０７：選択トランジスタ
１０８：転送ゲート制御線
１０９：リセットゲート制御線
１１０：行選択制御線
１１１：垂直出力線
１１２：定電流源
１１３：電源電圧線
１１４：垂直走査回路
１１５：リセット制御回路

Claims (11)

  1. 光電変換素子と、浮遊拡散層と、前記光電変換素子で生じた電荷を前記浮遊拡散層へ転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力する増幅トランジスタとを含む画素と、
    前記浮遊拡散層の電位をリセットするために前記リセットトランジスタをオンにするときに、前記リセットトランジスタのゲートに第２の電圧を供給し、前記増幅トランジスタが前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力するときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに第３の電圧を供給し、前記光電変換素子が電荷を蓄積しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第２の電圧と前記第３の電圧との間の第１の電圧を供給するように構成された制御部と
    を有することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 光電変換素子と、浮遊拡散層と、前記光電変換素子で生じた電荷を前記浮遊拡散層へ転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力する増幅トランジスタとを含む画素と、
    前記浮遊拡散層の電位をリセットするために前記リセットトランジスタをオンにするときに、前記リセットトランジスタのゲートに第２の電圧を供給し、前記転送トランジスタが前記電荷を転送しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに第３の電圧を供給し、前記光電変換素子が電荷を蓄積しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第２の電圧と前記第３の電圧との間の第１の電圧を供給するように構成された制御部と
    を有することを特徴とする固体撮像装置。
  3. 前記第２の電圧は、前記浮遊拡散層が前記リセットトランジスタのドレインに接続された電源電圧と同電位にリセットされるよう低いオン抵抗に制御された電圧であり、
    前記第１の電圧は、前記第２の電圧を印加したときのオン抵抗よりも高いオン抵抗となるように制御された電圧である
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
  4. 前記リセットトランジスタは、デプレッション型のトランジスタであり、
    前記第２の電圧は、前記浮遊拡散層をリセットする際のリセット電源電圧と同じ電圧である
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記第３の電圧は、第５の電圧と、前記第１の電圧と前記第５の電圧との間の第４の電圧とを含み、
    前記制御部は、
    前記増幅トランジスタがＮ信号を出力するときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第４の電圧を供給し、
    前記増幅トランジスタがＳ信号を出力するときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第５の電圧を供給するように更に構成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記リセットトランジスタは、前記ゲートに前記第３の電圧が供給されることによりオフ状態となる
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  7. 前記制御部は、前記転送トランジスタをオフ状態にするときに、前記転送トランジスタのゲートに第６の電圧を供給するように更に構成されており、
    前記第３の電圧は、前記第１の電圧と前記第６の電圧との間の電圧である
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記画素は、前記画素を選択するための選択トランジスタを更に有する
    ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 光電変換素子と、浮遊拡散層と、前記光電変換素子で生じた電荷を前記浮遊拡散層へ転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力する増幅トランジスタと、を含む画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記浮遊拡散層の電位をリセットするために前記リセットトランジスタをオンにするときに、前記リセットトランジスタのゲートに第２の電圧を供給し、
    前記増幅トランジスタが前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力するときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに第３の電圧を供給し、
    前記光電変換素子が電荷を蓄積しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第２の電圧と前記第３の電圧との間の第１の電圧を供給する
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  10. 光電変換素子と、浮遊拡散層と、前記光電変換素子で生じた電荷を前記浮遊拡散層へ転送する転送トランジスタと、前記浮遊拡散層の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層の電位に基づく信号を出力する増幅トランジスタと、を含む画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記浮遊拡散層の電位をリセットするために前記リセットトランジスタをオンにするときに、前記リセットトランジスタのゲートに第２の電圧を供給し、
    前記転送トランジスタが前記電荷を転送しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに第３の電圧を供給し、
    前記光電変換素子が電荷を蓄積しているときに、前記リセットトランジスタの前記ゲートに前記第２の電圧と前記第３の電圧との間の第１の電圧を供給する
    ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  11. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置に被写体の光学像を結像する光学系と
    を有することを特徴とする撮像システム。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10841519B2 (en) 2017-11-09 2020-11-17 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion apparatus, equipment, and driving method of photoelectric conversion apparatus
US11025848B2 (en) 2018-08-31 2021-06-01 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion device, imaging system, moving body, and stackable semiconductor device

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9838623B2 (en) * 2015-11-12 2017-12-05 Omnivision Technologies, Inc. Global shutter control signal generator with reduced driving requirements

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002217397A (ja) * 2001-01-15 2002-08-02 Sony Corp 固体撮像装置及びその駆動方法
JP2003234959A (ja) * 2002-02-06 2003-08-22 Fujitsu Ltd Ｃｍｏｓイメージセンサ
JP2005094240A (ja) * 2003-09-16 2005-04-07 Sony Corp 固体撮像装置およびカメラシステム
JP2007110630A (ja) * 2005-10-17 2007-04-26 Sony Corp 固体撮像素子とその駆動方法、及びカメラモジュール
JP2009218665A (ja) * 2008-03-07 2009-09-24 Olympus Corp 固体撮像素子

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6320616B1 (en) * 1997-06-02 2001-11-20 Sarnoff Corporation CMOS image sensor with reduced fixed pattern noise
JP3527094B2 (ja) * 1998-04-03 2004-05-17 Ｎｅｃエレクトロニクス株式会社 アクティブ型ｘｙアドレス方式固体撮像装置
JP3856283B2 (ja) * 2000-02-14 2006-12-13 シャープ株式会社 固体撮像装置および撮像装置の駆動方法
JP2002330346A (ja) * 2001-05-02 2002-11-15 Fujitsu Ltd Ｃｍｏｓセンサ回路
US20050083421A1 (en) * 2003-10-16 2005-04-21 Vladimir Berezin Dynamic range enlargement in CMOS image sensors
JP4403387B2 (ja) * 2004-04-26 2010-01-27 ソニー株式会社 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法
JP4581792B2 (ja) 2004-07-05 2010-11-17 コニカミノルタホールディングス株式会社 固体撮像装置及びこれを備えたカメラ
JP4298685B2 (ja) 2004-09-02 2009-07-22 キヤノン株式会社 シフトレジスタ、及び同シフトレジスタを用いた固体撮像装置、カメラ
KR100591075B1 (ko) 2004-12-24 2006-06-19 삼성전자주식회사 커플드 게이트를 가진 전송 트랜지스터를 이용한 액티브픽셀 센서
JP5016941B2 (ja) 2007-02-08 2012-09-05 株式会社東芝 固体撮像装置
KR101478248B1 (ko) * 2008-04-11 2014-12-31 삼성전자주식회사 두 개의 게이트로 이루어진 센싱 트랜지스터를 구비한 이미지 센서의 구동방법
JP2010273307A (ja) 2009-05-25 2010-12-02 Canon Inc 信号伝送装置
JP5251736B2 (ja) * 2009-06-05 2013-07-31 ソニー株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および電子機器
JP5257271B2 (ja) * 2009-06-26 2013-08-07 ソニー株式会社 光電変換装置および光電変換装置の駆動方法、並びに放射線撮像装置および放射線撮像装置の駆動方法
JP2011229120A (ja) * 2010-03-30 2011-11-10 Sony Corp 固体撮像装置、固体撮像装置の信号処理方法、及び、電子機器
JP5511541B2 (ja) * 2010-06-24 2014-06-04 キヤノン株式会社 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法
JP2012015274A (ja) * 2010-06-30 2012-01-19 Canon Inc 固体撮像装置、及び固体撮像装置の製造方法。
GB2487943A (en) * 2011-02-09 2012-08-15 St Microelectronics Res & Dev A CMOS pixel sensor with local analogue storage in each pixel circuit for capturing frames in quick succession
CN103208501B (zh) * 2012-01-17 2017-07-28 奥林巴斯株式会社 固体摄像装置及其制造方法、摄像装置、基板、半导体装置
JP6004652B2 (ja) 2012-01-18 2016-10-12 キヤノン株式会社 揚像装置及びその駆動方法
US9602750B2 (en) * 2014-11-25 2017-03-21 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensor pixels having built-in variable gain feedback amplifier circuitry
US9491386B2 (en) * 2014-12-03 2016-11-08 Omnivision Technologies, Inc. Floating diffusion reset level boost in pixel cell
US9774801B2 (en) * 2014-12-05 2017-09-26 Qualcomm Incorporated Solid state image sensor with enhanced charge capacity and dynamic range

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002217397A (ja) * 2001-01-15 2002-08-02 Sony Corp 固体撮像装置及びその駆動方法
JP2003234959A (ja) * 2002-02-06 2003-08-22 Fujitsu Ltd Ｃｍｏｓイメージセンサ
JP2005094240A (ja) * 2003-09-16 2005-04-07 Sony Corp 固体撮像装置およびカメラシステム
JP2007110630A (ja) * 2005-10-17 2007-04-26 Sony Corp 固体撮像素子とその駆動方法、及びカメラモジュール
JP2009218665A (ja) * 2008-03-07 2009-09-24 Olympus Corp 固体撮像素子

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10841519B2 (en) 2017-11-09 2020-11-17 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion apparatus, equipment, and driving method of photoelectric conversion apparatus
US11025848B2 (en) 2018-08-31 2021-06-01 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion device, imaging system, moving body, and stackable semiconductor device

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