JP2018061242A - Solid state image sensor, driving method of solid state image sensor, and electronic apparatus - Google Patents

Solid state image sensor, driving method of solid state image sensor, and electronic apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2018061242A
JP2018061242A JP2017175028A JP2017175028A JP2018061242A JP 2018061242 A JP2018061242 A JP 2018061242A JP 2017175028 A JP2017175028 A JP 2017175028A JP 2017175028 A JP2017175028 A JP 2017175028A JP 2018061242 A JP2018061242 A JP 2018061242A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
signal
pixel
holding
unit
photoelectric conversion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017175028A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7083608B2 (en
Inventor
俊介 大倉
Shunsuke Okura
俊介 大倉
俊徳 大高
Toshinori Otaka
俊徳 大高
中村 淳一
Junichi Nakamura
淳一 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brillnics Inc
Original Assignee
Brillnics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Brillnics Inc filed Critical Brillnics Inc
Priority to CN201710893853.6A priority Critical patent/CN107888807B/en
Priority to US15/718,265 priority patent/US10277856B2/en
Publication of JP2018061242A publication Critical patent/JP2018061242A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7083608B2 publication Critical patent/JP7083608B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid state image sensor, a driving method of solid state image sensor, and an electronic apparatus capable of preventing degradation of area efficiency on layout, while preventing complication of configuration.SOLUTION: A pixel portion 20 includes a first pixel array where the photoelectric conversion reading parts 211 of multiple first pixels 21 are arranged in matrix, a holding part array where the signal holding parts 212 of multiple first pixels 21 are arranged in matrix, and a second pixel array where the photoelectric conversion reading parts 221 of multiple second pixels 22 are arranged in matrix. At the time of rolling shutter mode, the read signals of the photoelectric conversion reading parts of first and second elements are outputted immediately to a first perpendicular signal line LSGN11 without following the bypass route, and at the time of global shutter mode, the holding signal of the signal holding part of the first pixel is outputted to the second perpendicular signal line LSGN12.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device, a driving method for the solid-state imaging device, and an electronic apparatus.

光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置(イメージセンサ)として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが実用に供されている。
CMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
A CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor has been put to practical use as a solid-state imaging device (image sensor) using a photoelectric conversion element that detects light and generates charges.
CMOS image sensors are widely applied as a part of various electronic devices such as digital cameras, video cameras, surveillance cameras, medical endoscopes, personal computers (PCs), and mobile terminal devices (mobile devices) such as mobile phones. Yes.

CMOSイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード(光電変換素子)および浮遊拡散層(FD:Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するFDアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列(カラム)出力方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。   The CMOS image sensor has an FD amplifier having a photodiode (photoelectric conversion element) and a floating diffusion layer (FD: Floating Diffusion) for each pixel, and the readout selects one row in the pixel array. However, a column parallel output type in which these are simultaneously read in the column output direction is the mainstream.

ところで、CMOSイメージセンサでは、フォトダイオードで生成しかつ蓄積した光電荷を、画素毎あるいは行毎に順次走査して読み出す動作が行われる。
この順次走査、すなわち、電子シャッタとしてローリングシャッタを採用した場合は、光電荷を蓄積する露光の開始時間、および終了時間を全ての画素で一致させることができない。そのため、順次走査の場合、動被写体の撮像時に撮像画像に歪みが生じるという問題がある。
By the way, in the CMOS image sensor, an operation of sequentially scanning and reading out the photoelectric charge generated and accumulated by the photodiode for each pixel or for each row is performed.
When this rolling scan, that is, when a rolling shutter is employed as an electronic shutter, the start time and end time of exposure for accumulating photocharges cannot be made to coincide for all pixels. Therefore, in the case of sequential scanning, there is a problem that a captured image is distorted when a moving subject is imaged.

そこで、画像歪みが許容できない、高速に動く被写体の撮像や、撮像画像の同時性を必要とするセンシング用途では、電子シャッタとして、画素アレイ部中の全画素に対して同一のタイミングで露光開始と露光終了とを実行するグローバルシャッタが採用される。   Therefore, in imaging applications where image distortion is unacceptable and imaging is performed at a high speed, or in sensing applications that require simultaneous image capture, exposure is started at the same timing for all pixels in the pixel array unit as an electronic shutter. A global shutter that executes the end of exposure is employed.

電子シャッタとしてグローバルシャッタを採用したCMOSイメージセンサは、画素内に、たとえば、光電変換読み出し部から読み出された信号を信号保持キャパシタに保持する信号保持部が設けられている。
グローバルシャッタを採用したCMOSイメージセンサでは、フォトダイオードによる電荷を電圧信号として一斉に信号保持部の信号保持キャパシタに蓄積し、そののち順次読み出すことにより、画像全体の同時性を確保している(たとえば、非特許文献1参照)。
また、このCMOSイメージセンサは、光電変換読み出し部の出力を、信号保持部をバイパスして信号線に転送するバイパススイッチを有しており、グローバルシャッタ機能に加えてローリングシャッタ機能を併せ持つように構成されている。
In a CMOS image sensor that employs a global shutter as an electronic shutter, for example, a signal holding unit that holds a signal read from a photoelectric conversion reading unit in a signal holding capacitor is provided in a pixel.
In a CMOS image sensor that employs a global shutter, electric charges from photodiodes are simultaneously accumulated as voltage signals in a signal holding capacitor of a signal holding unit, and then sequentially read out to ensure simultaneity of the entire image (for example, Non-Patent Document 1).
This CMOS image sensor has a bypass switch that bypasses the signal holding unit and transfers the output of the photoelectric conversion readout unit to the signal line, and has a rolling shutter function in addition to the global shutter function. Has been.

非特許文献1に記載された積層型CMOSイメージセンサにおいては、第1の基板(Pixel die)と第2の基板(ASIC die)とがマイクロバンプ(接続部)を通して接続された積層構造を有する。そして、第1の基板には各画素の光電変換読み出し部が形成され、第2の基板には各画素の信号保持部、信号線、垂直走査回路、水平走査回路、カラム読み出し回路等が形成されている。   The stacked CMOS image sensor described in Non-Patent Document 1 has a stacked structure in which a first substrate (Pixel die) and a second substrate (ASIC die) are connected through micro bumps (connecting portions). A photoelectric conversion readout unit for each pixel is formed on the first substrate, and a signal holding unit, a signal line, a vertical scanning circuit, a horizontal scanning circuit, a column readout circuit, etc. are formed on the second substrate. ing.

J. Aoki, et al., ”A Rolling-Shutter Distortion-Free 3D Stacked Image Sensor with -160dB Parasitic Light Sensitivity In-Pixel Storage Node” ISSCC 2013 / SESSION 27 / IMAGE SENSORS / 27.3.J. Aoki, et al., “A Rolling-Shutter Distortion-Free 3D Stacked Image Sensor with -160dB Parasitic Light Sensitivity In-Pixel Storage Node” ISSCC 2013 / SESSION 27 / IMAGE SENSORS / 27.3.

上述した従来のグローバルシャッタ機能を備えるCMOSイメージセンサは、グローバルシャッタ機能およびローリングシャッタ機能の両機能で信号線を共用することから、信号保持部をバイパスして信号線に転送するバイパススイッチを信号保持部に並列に設ける必要があることから、以下の不利益がある。
上述した従来のグローバルシャッタ機能を備える積層型CMOSイメージセンサは、第1の基板(Pixel die)と第2の基板(ASIC die)において、画素とグローバルシャッタ用信号保持キャパシタを対に備えるため、第2の基板(ASIC die)側の周辺回路に要する面積がオーバーヘッドとなり、面積効率が低いという問題がある。
また、上述したCMOSイメージセンサでは、信号保持部側の構成が複雑化する。
The conventional CMOS image sensor having the global shutter function described above shares a signal line with both the global shutter function and the rolling shutter function, and therefore holds a bypass switch that bypasses the signal holding unit and transfers it to the signal line. Since it is necessary to provide parallel to the part, there are the following disadvantages.
Since the multilayer CMOS image sensor having the conventional global shutter function described above includes a pixel and a global shutter signal holding capacitor in a pair on the first substrate (Pixel die) and the second substrate (ASIC die), The area required for the peripheral circuit on the second substrate (ASIC die) side becomes an overhead, and there is a problem that the area efficiency is low.
Further, in the above-described CMOS image sensor, the configuration on the signal holding unit side is complicated.

本発明は、構成の複雑化を防止しつつ、レイアウト上の面積効率の低下を防止することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device, a driving method for the solid-state imaging device, and an electronic apparatus that can prevent a reduction in area efficiency in the layout while preventing complication of the configuration.

本発明の第1の観点の固体撮像装置は、光電変換読み出し部および信号保持部を含む第1の画素と前記光電変換読み出し部を含む第2の画素のうち、少なくとも前記第1画素が配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、前記光電変換読み出し部の読み出し信号が出力される第1の信号線と、前記信号保持部の保持信号が出力される第2の信号線と、を有し、少なくとも前記第1の画素の前記光電変換読み出し部は、出力ノードと、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記出力ノードに出力するソースフォロワ素子と、リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、第1の期間に前記出力ノードを前記第1の信号線と電気的に接続する選択素子と、を含み、前記信号保持部は、前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な信号保持キャパシタと、第2の期間に前記信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の出力ノードと選択的に接続するスイッチ素子と、前記第2の期間に前記信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に前記第2の信号線に出力する出力部と、を含む。   In the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention, at least the first pixel is arranged among a first pixel including a photoelectric conversion readout unit and a signal holding unit and a second pixel including the photoelectric conversion readout unit. A pixel unit, a readout unit that reads out a pixel signal from the pixel unit, a first signal line that outputs a readout signal of the photoelectric conversion readout unit, and a holding signal of the signal holding unit And at least the photoelectric conversion readout unit of the first pixel includes an output node, a photoelectric conversion element that accumulates charges generated by photoelectric conversion in an accumulation period, and the photoelectric conversion element A transfer element capable of transferring the accumulated charge during a transfer period, a floating diffusion to which the charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element, and the floating diffusion A source follower element that converts the charge of the fusion into a voltage signal corresponding to the amount of charge, and outputs the converted signal to the output node; a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period; A selection element that electrically connects the output node to the first signal line in a period, and the signal holding unit outputs a signal output from the output node of the photoelectric conversion readout unit of the first pixel , A switch element that selectively connects the signal holding capacitor to the output node of the photoelectric conversion readout unit in the second period, and held in the signal holding capacitor in the second period. Including a source follower element that outputs the received signal according to the holding voltage, and selectively outputs the converted signal to the second signal line. It includes a part, a.

本発明の第2の観点は、光電変換読み出し部および信号保持部を含む第1の画素と前記光電変換読み出し部を含む第2の画素が配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、前記光電変換読み出し部の読み出し信号が出力される第1の信号線と、前記信号保持部の保持信号が出力される第2の信号線と、を有し、少なくとも前記第1の画素の前記光電変換読み出し部は、出力ノードと、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記出力ノードに出力するソースフォロワ素子と、リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、第1の期間に前記出力ノードを前記第1の信号線と電気的に接続する選択素子と、を含み、前記信号保持部は、前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な信号保持キャパシタと、第2の期間に前記信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の出力ノードと選択的に接続するスイッチ素子と、前記第2の期間に前記信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に前記第2の信号線に出力する出力部と、を含み、前記画素部は、複数の前記第1の画素の前記光電変換読み出し部が行列状に配置された第1の画素アレイと、前記複数の前記第1の画素の前記信号保持部が行列状に配置された保持部アレイと、複数の前記第2の画素の前記光電変換読み出し部が行列状に配置された第2の画素アレイと、を含む、固体撮像装置の駆動方法であって、第1の動作時には、前記第1の画素の前記第1の画素アレイおよび前記第2の画素の前記第2の画素アレイをアクティブにして画素信号の読み出しを行い、第2の動作時には、前記第1の画素および前記第2の画素の前記光電変換読み出し部における前記選択素子を非選択状態とした状態で、前記第1の画素の前記第1の画素アレイおよび前記保持部アレイをアクティブにして画素信号の読み出しを行う。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a first pixel including a photoelectric conversion readout unit and a signal holding unit, a pixel unit in which a second pixel including the photoelectric conversion readout unit is disposed, and a pixel signal from the pixel unit. A readout unit that performs readout, a first signal line that outputs a readout signal of the photoelectric conversion readout unit, and a second signal line that outputs a retention signal of the signal holding unit, and at least the The photoelectric conversion readout unit of the first pixel includes an output node, a photoelectric conversion element that accumulates charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period, and a transfer that can transfer charges accumulated in the photoelectric conversion element during a transfer period. Element, a floating diffusion to which charges accumulated in the photoelectric conversion element are transferred through the transfer element, and a voltage signal corresponding to the charge amount of the charges in the floating diffusion A source follower element that converts and outputs the converted signal to the output node; a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential in a reset period; and the output node in the first period as the first signal line. A signal holding capacitor capable of holding a signal output from an output node of the photoelectric conversion readout unit of the first pixel, and a second holding element. A switching element that selectively connects the signal holding capacitor to the output node of the photoelectric conversion readout unit during a period, and a source follower that outputs a signal held in the signal holding capacitor during the second period according to a holding voltage And an output unit that selectively outputs a converted signal to the second signal line. The pixel unit includes a plurality of the first signals. A first pixel array in which the photoelectric conversion readout units of the pixels are arranged in a matrix; a holding unit array in which the signal holding units of the plurality of first pixels are arranged in a matrix; and a plurality of the first pixels And a second pixel array in which the photoelectric conversion read-out units of the two pixels are arranged in a matrix, and in the first operation, the first of the first pixels The pixel signal is read by activating the second pixel array of the first pixel array and the second pixel, and the photoelectric conversion reading of the first pixel and the second pixel is performed during the second operation. The pixel signal is read by activating the first pixel array and the holding unit array of the first pixel in a state where the selection element in the unit is in a non-selected state.

本発明の第3の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、光電変換読み出し部および信号保持部を含む第1の画素と前記光電変換読み出し部を含む第2の画素のうち、少なくとも前記第1画素が配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、前記光電変換読み出し部の読み出し信号が出力される第1の信号線と、前記信号保持部の保持信号が出力される第2の信号線と、を有し、少なくとも前記第1の画素の前記光電変換読み出し部は、出力ノードと、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記出力ノードに出力するソースフォロワ素子と、リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、第1の期間に前記出力ノードを前記第1の信号線と電気的に接続する選択素子と、を含み、前記信号保持部は、前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な信号保持キャパシタと、第2の期間に前記信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の出力ノードと選択的に接続するスイッチ素子と、前記第2の期間に前記信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に前記第2の信号線に出力する出力部と、を含む。   An electronic apparatus according to a third aspect of the present invention includes a solid-state imaging device and an optical system that forms a subject image on the solid-state imaging device. The solid-state imaging device includes a photoelectric conversion readout unit and a signal holding unit. Among the first pixel including the pixel and the second pixel including the photoelectric conversion readout unit, a pixel unit in which at least the first pixel is arranged, a readout unit that reads out a pixel signal from the pixel unit, and the photoelectric conversion unit A first signal line from which a read signal of the conversion read unit is output; and a second signal line from which the hold signal of the signal holding unit is output, and at least the photoelectric conversion reading of the first pixel. The unit includes an output node, a photoelectric conversion element that accumulates charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period, a transfer element that can transfer charges accumulated in the photoelectric conversion element during a transfer period, and the photoelectric element through the transfer element. conversion A floating diffusion to which charges accumulated in the child are transferred, a source follower element that converts the charges of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to the amount of charges, and outputs the converted signal to the output node; and A reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential; and a selection element that electrically connects the output node to the first signal line during a first period. A signal holding capacitor capable of holding a signal output from the output node of the photoelectric conversion readout unit of the pixel, and a switch for selectively connecting the signal holding capacitor to the output node of the photoelectric conversion readout unit in the second period The element and the signal held in the signal holding capacitor in the second period according to the holding voltage Includes a source follower device which outputs, including an output unit for outputting the selectively said second signal line the converted signal.

本発明によれば、構成の複雑化を防止しつつ、レイアウト上の面積効率の低下を防止することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fall of the area efficiency on a layout can be prevented, preventing complication of a structure.

本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の第1の画素および第2の画素の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram showing an example of the 1st pixel and the 2nd pixel of the solid-state imaging device concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の画素部における画素アレイについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the pixel array in the pixel part of the solid-state imaging device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の列出力の読み出し系の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the read-out system of the column output of the pixel part of the solid-state imaging device which concerns on embodiment of this invention. 本第1の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the laminated structure of the solid-state imaging device which concerns on the 1st embodiment. 本第1の実施形態に係る固体撮像装置のグローバルシャッタモード時の読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining a read operation in a global shutter mode of the solid-state imaging device according to the first embodiment. 本第1の実施形態に係る固体撮像装置のローリングシャッタモード時の読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining a read operation in a rolling shutter mode of the solid-state imaging device according to the first embodiment. 本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the laminated structure of the solid-state imaging device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the laminated structure of the solid-state imaging device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造において垂直走査回路の構成部品の配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the component of a vertical scanning circuit in the laminated structure of the solid-state imaging device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る電荷再生システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the electric charge reproduction | regeneration system which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る電荷再生システムの動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the electric charge regeneration system which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the electronic device to which the solid-state imaging device which concerns on embodiment of this invention is applied.

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the solid-state imaging device 10 is configured by, for example, a CMOS image sensor.

この固体撮像装置10は、図1に示すように、撮像部としての画素部20、垂直走査回路(行走査回路)30、読み出し回路(カラム読み出し回路)40、水平走査回路(列走査回路)50、およびタイミング制御回路60を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部70が構成される。
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 10 includes a pixel unit 20 as an imaging unit, a vertical scanning circuit (row scanning circuit) 30, a readout circuit (column readout circuit) 40, and a horizontal scanning circuit (column scanning circuit) 50. , And a timing control circuit 60 as main components.
Among these components, for example, the vertical scanning circuit 30, the readout circuit 40, the horizontal scanning circuit 50, and the timing control circuit 60 constitute a pixel signal readout unit 70.

本第1の実施形態において、固体撮像装置10は、後で詳述するように、画素部20において、画素として光電変換読み出し部および信号保持部を含む第1の画素と、光電変換読み出し部を含む第2の画素が混在されて、第1の動作であるローリングシャッタと第2の動作であるグローバルシャッタの両動作機能を併せ持つ、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。
本第1の実施形態に係る固体撮像装置10において、画素部20は、複数の第1の画素の光電変換読み出し部が行列状に配置された第1の画素アレイと、複数の第1の画素の信号保持部が行列状に配置された保持部アレイと、複数の第2の画素の光電変換読み出し部が行列状に配置された第2の画素アレイと、を含んで構成されている。
そして、第1の動作であるローリングシャッタモード時に、第1の画素および第2の画素の光電変換読み出し部の読み出し信号が第1の垂直信号線にバイパス経路をたどることなく直ちに出力される。
また、第2の動作であるグローバルシャッタモード時に、第1の画素の信号保持部の保持信号が第2の垂直信号線に出力される。
In the first embodiment, the solid-state imaging device 10 includes a first pixel including a photoelectric conversion readout unit and a signal holding unit as pixels, and a photoelectric conversion readout unit in the pixel unit 20, as will be described in detail later. For example, a stacked CMOS image sensor having both the operation functions of the rolling shutter as the first operation and the global shutter as the second operation is mixed.
In the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment, the pixel unit 20 includes a first pixel array in which photoelectric conversion readout units of a plurality of first pixels are arranged in a matrix, and a plurality of first pixels. The signal holding units are configured to include a holding unit array in which the signal holding units are arranged in a matrix, and a second pixel array in which the photoelectric conversion readout units of the plurality of second pixels are arranged in a matrix.
In the rolling shutter mode, which is the first operation, the readout signals of the photoelectric conversion readout units of the first pixel and the second pixel are immediately output without following the bypass path to the first vertical signal line.
In the global shutter mode, which is the second operation, the holding signal of the signal holding unit of the first pixel is output to the second vertical signal line.

以下、固体撮像装置10の各部の構成および機能の概要、特に、画素部20の構成および機能、それらに関連した読み出し処理、並びに、画素部20と読み出し部70の積層構造等について詳述する。   Hereinafter, an outline of the configuration and functions of each unit of the solid-state imaging device 10, in particular, the configuration and function of the pixel unit 20, the readout process related to them, the stacked structure of the pixel unit 20 and the readout unit 70, etc. will be described in detail.

(第1の画素および第2の画素並びに画素部20の構成)
図2は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置10の第1の画素および第2の画素の一例を示す回路図である。
(Configuration of first pixel, second pixel, and pixel unit 20)
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of the first pixel and the second pixel of the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment of the present invention.

画素部20に配置される第1の画素21は、光電変換読み出し部211および信号保持部212を含んで構成されている。
画素部20に配置される第2の画素22は、光電変換読み出し部221を含んで構成されている。
The first pixel 21 arranged in the pixel unit 20 includes a photoelectric conversion readout unit 211 and a signal holding unit 212.
The second pixel 22 disposed in the pixel unit 20 includes a photoelectric conversion readout unit 221.

第1の画素21の光電変換読み出し部211は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含んで構成される。
具体的には、この光電変換読み出し部211は、たとえば光電変換素子であるフォトダイオードPD21を有する。
このフォトダイオードPD21に対して、転送素子としての転送トランジスタTG1−Tr、リセット素子としてのリセットトランジスタRST1−Tr、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF1−Tr、出力ノードND21、および選択素子(選択スイッチ)としての選択トランジスタSEL1−Trをそれぞれ一つずつ有する。
このように、第1の実施形態に係る第1の画素21の光電変換読み出し部211は、転送トランジスタTG1−Tr、リセットトランジスタRST1−Tr、ソースフォロワトランジスタSF1−Tr、および選択トランジスタSEL1−Trの4トランジスタ(4Tr)を含んで構成されている。
The photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 includes a photodiode (photoelectric conversion element) and an in-pixel amplifier.
Specifically, the photoelectric conversion readout unit 211 includes a photodiode PD21 that is a photoelectric conversion element, for example.
For this photodiode PD21, a transfer transistor TG1-Tr as a transfer element, a reset transistor RST1-Tr as a reset element, a source follower transistor SF1-Tr as a source follower element, an output node ND21, and a selection element (selection switch) ) Each having one selection transistor SEL1-Tr.
As described above, the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 according to the first embodiment includes the transfer transistor TG1-Tr, the reset transistor RST1-Tr, the source follower transistor SF1-Tr, and the selection transistor SEL1-Tr. 4 transistors (4Tr) are included.

本第1の実施形態に係る光電変換読み出し部211は、出力ノードND21が第1の画素21の信号保持部212の入力部に接続され、選択トランジスタSEL1−Trを介して第1の垂直信号線LSGN11に接続されている。
光電変換読み出し部211は、ローリングシャッタモード時に読み出し電圧(信号電圧)(VRST1,VSIG1)を第1の垂直信号線LSGN11に出力する。
光電変換読み出し部211は、グローバルシャッタモード時に読み出し電圧(信号電圧)(VRST1,VSIG1)を信号保持部212に出力する。
In the photoelectric conversion readout unit 211 according to the first embodiment, the output node ND21 is connected to the input unit of the signal holding unit 212 of the first pixel 21, and the first vertical signal line is connected via the selection transistors SEL1-Tr. It is connected to LSGN11.
The photoelectric conversion readout unit 211 outputs a readout voltage (signal voltage) (VRST1, VSIG1) to the first vertical signal line LSGN11 in the rolling shutter mode.
The photoelectric conversion readout unit 211 outputs a readout voltage (signal voltage) (VRST1, VSIG1) to the signal holding unit 212 in the global shutter mode.

本第1の実施形態において、第1の垂直信号線LSGN11はローリングシャッタモード時に定電流源Ibias1により駆動され、第2の垂直信号線LSGN12はグローバルシャッタモード時に定電流源Ibias1により駆動される。
定電流源Ibias1は、ローリングシャッタモード時とグローバルシャッタモード時とで共用される。
定電流源Ibias1は、図2に示すように、スイッチ部410により動作モードに応じて接続先が切り替えられる。ローリングシャッタモード時には、第1の垂直信号線LSGN11が定電流源Ibias1に接続され、第2の垂直信号線LSGN12が基準電位VSS(たとえばグランド)に接続される。一方、グローバルシャッタモード時には、第2の垂直信号線LSGN12が定電流源Ibias1に接続され、第1の垂直信号線LSGN11が基準電位VSS(たとえばグランド)に接続される。
In the first embodiment, the first vertical signal line LSGN11 is driven by the constant current source Ibias1 in the rolling shutter mode, and the second vertical signal line LSGN12 is driven by the constant current source Ibias1 in the global shutter mode.
The constant current source Ibias1 is shared by the rolling shutter mode and the global shutter mode.
As illustrated in FIG. 2, the constant current source Ibias1 is switched in connection destination according to the operation mode by the switch unit 410. In the rolling shutter mode, the first vertical signal line LSGN11 is connected to the constant current source Ibias1, and the second vertical signal line LSGN12 is connected to the reference potential VSS (for example, ground). On the other hand, in the global shutter mode, the second vertical signal line LSGN12 is connected to the constant current source Ibias1, and the first vertical signal line LSGN11 is connected to the reference potential VSS (for example, ground).

フォトダイオードPD21は、入射光量に応じた量の信号電荷(ここでは電子)を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔(ホール)であったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオードおよび転送トランジスタ間で、各トランジスタを共有している場合にも有効である。
The photodiode PD21 generates and accumulates signal charges (here, electrons) corresponding to the amount of incident light.
Hereinafter, a case where the signal charge is an electron and each transistor is an n-type transistor will be described. However, the signal charge may be a hole or each transistor may be a p-type transistor.
The present embodiment is also effective when a plurality of photodiodes and transfer transistors share each transistor.

光電変換読み出し部211の転送トランジスタTG1−Trは、フォトダイオードPD21とフローティングディフュージョンFD21の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号TGにより制御される。
転送トランジスタTG1−Trは、制御信号TGがハイ(H)レベルの転送期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD21で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD21に転送する。
The transfer transistors TG1-Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 are connected between the photodiode PD21 and the floating diffusion FD21, and are controlled by a control signal TG applied to the gate through the control line.
The transfer transistors TG1-Tr are in a conductive state when the control signal TG is selected during a transfer period in which the control signal TG is high (H), and transfer charges (electrons) photoelectrically converted and stored by the photodiode PD21 to the floating diffusion FD21.

リセットトランジスタRST1−Trは、電源電圧VDDの電源線VddとフローティングディフュージョンFD21の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号RSTにより制御される。
リセットトランジスタRST1−Trは、制御信号RSTがHレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFD21を電源電圧VDDの電源線Vddの電位にリセットする。
The reset transistors RST1-Tr are connected between the power supply line Vdd of the power supply voltage VDD and the floating diffusion FD21, and are controlled by a control signal RST applied to the gate through the control line.
The reset transistors RST1-Tr are turned on when the control signal RST is selected during the H level reset period, and reset the floating diffusion FD21 to the potential of the power supply line Vdd of the power supply voltage VDD.

ソースフォロワトランジスタSF1−Trと選択トランジスタSEL1−Trは、電源線Vddと定電流源Ibias1により駆動される第1の垂直信号線LSGN11の間に直列に接続されている。
ソースフォロワトランジスタSF1−Trのソースと選択トランジスタSEL1−Trのドレインとの接続点により出力ノードND21が形成されている。
この出力ノードND21と信号保持部212の入力部間の信号線LSGN13は、たとえば信号保持部212の入力部に配置された定電流源Ibias3により駆動される。
ソースフォロワトランジスタSF1−TrはフローティングディフュージョンFD21の電荷を電荷量(電位)に応じた電圧信号に変換した列出力の読み出し電圧(VRST1,VSIG1)を出力ノードND21に出力する。
The source follower transistor SF1-Tr and the selection transistor SEL1-Tr are connected in series between the power supply line Vdd and the first vertical signal line LSGN11 driven by the constant current source Ibias1.
An output node ND21 is formed by a connection point between the source of the source follower transistor SF1-Tr and the drain of the selection transistor SEL1-Tr.
The signal line LSGN13 between the output node ND21 and the input unit of the signal holding unit 212 is driven by, for example, a constant current source Ibias3 arranged at the input unit of the signal holding unit 212.
The source follower transistors SF1-Tr output column output read voltages (VRST1, VSIG1) obtained by converting the charge of the floating diffusion FD21 into a voltage signal corresponding to the charge amount (potential) to the output node ND21.

ソースフォロワトランジスタSF1−TrのゲートにはフローティングディフュージョンFD21が接続され、選択トランジスタSEL1−Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SELにより制御される。
選択トランジスタSEL1−Trは、制御信号SELがHレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF1−TrはフローティングディフュージョンFD21の電荷を電荷量(電位)に応じた電圧信号に変換した列出力の読み出し電圧(VRST1,VSIG1)を第1の垂直信号線LSGN11に出力する。
A floating diffusion FD21 is connected to the gate of the source follower transistor SF1-Tr, and the selection transistors SEL1-Tr are controlled by a control signal SEL applied to the gate through a control line.
The selection transistors SEL1-Tr are turned on when the control signal SEL is selected during a selection period in which the control signal SEL is at the H level. As a result, the source follower transistor SF1-Tr outputs the column output read voltage (VRST1, VSIG1) obtained by converting the charge of the floating diffusion FD21 into a voltage signal corresponding to the charge amount (potential) to the first vertical signal line LSGN11. .

第1の画素21の信号保持部212は、基本的に、定電流源Ibias3が接続されている入力部2121、サンプルホールド部2122、出力部2123、ノードND22〜ND24を含んで構成されている。
なお、ノードND22は入力ノードに相当し、ノードND23は第1の保持ノードに相当し、ノードND24は第2の保持ノードに相当する。
The signal holding unit 212 of the first pixel 21 basically includes an input unit 2121 to which the constant current source Ibias3 is connected, a sample hold unit 2122, an output unit 2123, and nodes ND22 to ND24.
Note that the node ND22 corresponds to an input node, the node ND23 corresponds to a first holding node, and the node ND24 corresponds to a second holding node.

定電流源Ibias3は、ノードND22と基準電位VSSとの間に接続され、たとえばグローバルシャッタ期間中の所定の期間にオン状態に制御される。   The constant current source Ibias3 is connected between the node ND22 and the reference potential VSS, and is controlled to be in an on state, for example, in a predetermined period during the global shutter period.

なお、定電流源Ibias3の代わりに、ノードND22と基準電位VSSとの間に接続され、たとえばグローバルシャッタ期間中の所定の期間にオン状態に制御されるスイッチ素子を設けてもよい。   Instead of the constant current source Ibias3, a switch element connected between the node ND22 and the reference potential VSS and controlled to be on during a predetermined period during the global shutter period may be provided.

サンプルホールド部2122は、第2の期間であるグローバルシャッタ期間に、サンプルホールド部2122の信号保持キャパシタを光電変換読み出し部211の出力ノードND21と選択的に接続する第1のスイッチ素子SW21、第1の画素21の光電変換読み出し部211の出力ノードND21から出力される信号を保持可能な第1の信号保持キャパシタC21および第2の信号保持キャパシタC22、および第2のスイッチ素子SW22を有する。
第1のスイッチ素子SW21の端子aが第3の信号線LSGN13に接続された入力ノードND22と接続され、端子bがサンプルホールド部2122側と接続されたノードND23に接続されている。
第1のスイッチ素子SW21は、たとえば信号sw1がハイレベルの期間に端子aとbが接続されて導通状態となる。
第1の信号保持キャパシタC21は、第1の保持ノードであるノードND23と基準電位VSSとの間に接続されている。
第2の信号保持キャパシタC22は、第2の保持ノードであるノードND24と基準電位VSSとの間に接続されている。
第2のスイッチ素子SW22の端子aがノードND23と接続され、端子bがノードND24と接続されている。
第2のスイッチ素子SW22は、たとえば信号SHRTがハイレベルの期間に端子aとbが接続されて導通状態となる。
The sample hold unit 2122 includes a first switch element SW21 that selectively connects the signal holding capacitor of the sample hold unit 2122 to the output node ND21 of the photoelectric conversion readout unit 211 in the global shutter period that is the second period. The pixel 21 has a first signal holding capacitor C21 and a second signal holding capacitor C22 that can hold a signal output from the output node ND21 of the photoelectric conversion readout unit 211, and a second switch element SW22.
The terminal a of the first switch element SW21 is connected to the input node ND22 connected to the third signal line LSGN13, and the terminal b is connected to the node ND23 connected to the sample hold unit 2122 side.
For example, the first switch element SW21 becomes conductive when the terminals a and b are connected while the signal sw1 is at a high level.
The first signal holding capacitor C21 is connected between the node ND23 that is the first holding node and the reference potential VSS.
The second signal holding capacitor C22 is connected between the node ND24, which is the second holding node, and the reference potential VSS.
The terminal a of the second switch element SW22 is connected to the node ND23, and the terminal b is connected to the node ND24.
The second switch element SW22 becomes conductive when the terminals a and b are connected, for example, while the signal SHRT is at a high level.

出力部2123は、第2の期間であるグローバルシャッタ期間に信号保持キャパシタC21、C22に保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワトランジスタSF3−Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL3−Trを介して定電流源Ibias1により駆動される第2の垂直信号線LSGN12に出力する。   The output unit 2123 includes a source follower transistor SF3-Tr that outputs the signal held in the signal holding capacitors C21 and C22 in accordance with the holding voltage during the global shutter period, which is the second period, and selectively holds the held signal. The signal is output to the second vertical signal line LSGN12 driven by the constant current source Ibias1 through the selection transistor SEL3-Tr.

ソースフォロワトランジスタSF3−Trと選択トランジスタSEL3−Trは、電源線Vddと定電流源Ibias1により駆動される第2の垂直信号線LSGN12の間に直列に接続されている。   The source follower transistor SF3-Tr and the selection transistor SEL3-Tr are connected in series between the power supply line Vdd and the second vertical signal line LSGN12 driven by the constant current source Ibias1.

ソースフォロワトランジスタSF3−TrのゲートにはノードND24が接続され、選択トランジスタSEL3−Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL3により制御される。
選択トランジスタSEL3−Trは、制御信号SEL3がHレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF3−Trは信号保持キャパシタC21、C22の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VRST,VSIG)を第2の垂直信号線LSGN12に出力する。
A node ND24 is connected to the gate of the source follower transistor SF3-Tr, and the selection transistor SEL3-Tr is controlled by a control signal SEL3 applied to the gate through a control line.
The selection transistors SEL3-Tr are turned on when the control signal SEL3 is selected during the selection period of the H level. As a result, the source follower transistor SF3-Tr outputs a column output read voltage (VRST, VSIG) corresponding to the holding voltage of the signal holding capacitors C21, C22 to the second vertical signal line LSGN12.

なお、上記した信号保持部212の構成は、一例であり、第2の期間であるグローバルシャッタ期間に、光電変換読み出し部211の出力する読み出し電圧(信号電圧)(VRST1,VSIG1)を保持する機能を備える回路であればその構成を問わない。   Note that the configuration of the signal holding unit 212 described above is an example, and a function of holding the read voltage (signal voltage) (VRST1, VSIG1) output from the photoelectric conversion read unit 211 during the global shutter period that is the second period. Any circuit configuration may be used as long as the circuit is provided.

画素部20に配置される第2の画素22は、光電変換読み出し部221を含んで構成されている。
第2の画素22の光電変換読み出し部221は、上述した第1の画素21の光電変換読み出し部211と同様の構成を有する。
The second pixel 22 disposed in the pixel unit 20 includes a photoelectric conversion readout unit 221.
The photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22 has the same configuration as the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 described above.

すなわち、第2の画素22の光電変換読み出し部221は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含んで構成される。
具体的には、この光電変換読み出し部221は、たとえば光電変換素子であるフォトダイオードPD22を有する。
このフォトダイオードPD22に対して、転送素子としての転送トランジスタTG2−Tr、リセット素子としてのリセットトランジスタRST2−Tr、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF2−Tr、および選択素子(選択スイッチ)としての選択トランジスタSEL2−Trをそれぞれ一つずつ有する。
このように、第1の実施形態に係る第2の画素22の光電変換読み出し部221は、転送トランジスタTG2−Tr、リセットトランジスタRST2−Tr、ソースフォロワトランジスタSF2−Tr、および選択トランジスタSEL2−Trの4トランジスタ(4Tr)を含んで構成されている。
That is, the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22 includes a photodiode (photoelectric conversion element) and an in-pixel amplifier.
Specifically, the photoelectric conversion readout unit 221 includes a photodiode PD22 that is a photoelectric conversion element, for example.
For this photodiode PD22, a transfer transistor TG2-Tr as a transfer element, a reset transistor RST2-Tr as a reset element, a source follower transistor SF2-Tr as a source follower element, and a selection as a selection element (selection switch) Each has one transistor SEL2-Tr.
As described above, the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22 according to the first embodiment includes the transfer transistor TG2-Tr, the reset transistor RST2-Tr, the source follower transistor SF2-Tr, and the selection transistor SEL2-Tr. 4 transistors (4Tr) are included.

本第1の実施形態に係る光電変換読み出し部221は、ローリングシャッタモード時に読み出し電圧(信号電圧)(VRST2,VSIG2)を第1の垂直信号線LSGN11に出力する。   The photoelectric conversion readout unit 221 according to the first embodiment outputs a readout voltage (signal voltage) (VRST2, VSIG2) to the first vertical signal line LSGN11 in the rolling shutter mode.

フォトダイオードPD22は、入射光量に応じた量の信号電荷(ここでは電子)を発生し、蓄積する。
以下においても、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔(ホール)であったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオードと転送トランジスタ間で、各トランジスタを共有している場合にも有効である。
The photodiode PD22 generates and accumulates signal charges (here, electrons) corresponding to the amount of incident light.
In the following description, the signal charge is an electron and each transistor is an n-type transistor. However, the signal charge may be a hole or each transistor may be a p-type transistor.
The present embodiment is also effective when a plurality of photodiodes and transfer transistors share each transistor.

光電変換読み出し部221の転送トランジスタTG2−Trは、フォトダイオードPD22とフローティングディフュージョンFD22の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号TGにより制御される。
転送トランジスタTG2−Trは、制御信号TGがHレベルの転送期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD22で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD22に転送する。
The transfer transistor TG2-Tr of the photoelectric conversion readout unit 221 is connected between the photodiode PD22 and the floating diffusion FD22, and is controlled by a control signal TG applied to the gate through the control line.
The transfer transistors TG2-Tr are in a conductive state when the control signal TG is selected during the H level transfer period, and transfer the charges (electrons) photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PD22 to the floating diffusion FD22.

リセットトランジスタRST2−Trは、電源電圧VDDの電源線VddとフローティングディフュージョンFD22の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号RSTにより制御される。
リセットトランジスタRST2−Trは、制御信号RSTがHレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFD22を電源電圧VDDの電源線Vddの電位にリセットする。
The reset transistor RST2-Tr is connected between the power supply line Vdd of the power supply voltage VDD and the floating diffusion FD22, and is controlled by a control signal RST applied to the gate through the control line.
The reset transistor RST2-Tr is turned on when the control signal RST is selected during the reset period when the H level is reset, and resets the floating diffusion FD22 to the potential of the power supply line Vdd of the power supply voltage VDD.

ソースフォロワトランジスタSF2−Trと選択トランジスタSEL2−Trは、電源線Vddと定電流源Ibias1により駆動される第1の垂直信号線LSGN11の間に直列に接続されている。   The source follower transistor SF2-Tr and the selection transistor SEL2-Tr are connected in series between the power supply line Vdd and the first vertical signal line LSGN11 driven by the constant current source Ibias1.

ソースフォロワトランジスタSF2−TrのゲートにはフローティングディフュージョンFD22が接続され、選択トランジスタSEL2−Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SELにより制御される。
選択トランジスタSEL2−Trは、制御信号SELがHレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF2−TrはフローティングディフュージョンFD22の電荷を電荷量(電位)に応じた電圧信号に変換した列出力の読み出し電圧(VRST2,VSIG2)を第1の垂直信号線LSGN11に出力する。
A floating diffusion FD22 is connected to the gate of the source follower transistor SF2-Tr, and the selection transistor SEL2-Tr is controlled by a control signal SEL applied to the gate through a control line.
The selection transistors SEL2-Tr are turned on when the control signal SEL is selected during the selection period of the H level. As a result, the source follower transistor SF2-Tr outputs the column output read voltage (VRST2, VSIG2) obtained by converting the charge of the floating diffusion FD22 into a voltage signal corresponding to the charge amount (potential) to the first vertical signal line LSGN11. .

本第1の実施形態に係る画素部20は、以上のような構成を有する第1の画素21および第2の画素22が、たとえば図3に示すように、画素アレイとして配列され、複数の画素アレイが組み合わされて構成されている。   In the pixel unit 20 according to the first embodiment, a first pixel 21 and a second pixel 22 having the above-described configuration are arranged as a pixel array, for example, as shown in FIG. An array is combined.

図3は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置10の画素部20における画素アレイについて説明するための図である。   FIG. 3 is a diagram for explaining a pixel array in the pixel unit 20 of the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment of the present invention.

第1の実施形態に係る固体撮像装置10の画素部20は、第1の画素アレイ230、保持部アレイ240、上側(たとえば一方側)の第2の画素アレイ250−1、および下側(他方側)の第2の画素アレイ250−2を含んで構成されている。   The pixel unit 20 of the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment includes a first pixel array 230, a holding unit array 240, an upper (for example, one side) second pixel array 250-1, and a lower side (the other). Side) second pixel array 250-2.

第1の画素アレイ230は、複数の第1の画素21の光電変換読み出し部211がN行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
第1の画素アレイ230は、たとえば16:9のアスペクト比の画像が出力可能なように、複数の第1の画素21の光電変換読み出し部211がN行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
In the first pixel array 230, the photoelectric conversion readout units 211 of the plurality of first pixels 21 are arranged in a two-dimensional matrix (matrix) of N rows × M columns.
In the first pixel array 230, for example, the photoelectric conversion readout unit 211 of the plurality of first pixels 21 is in a two-dimensional matrix form of N rows × M columns so that an image with an aspect ratio of 16: 9 can be output. Arranged in a matrix).

保持部アレイ240は、複数の第1の画素21の信号保持部212が、第1の画素アレイ230に対応してN行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
保持部アレイ240は、第1の画素アレイ230と同様に、たとえば16:9のアスペクト比の画像が出力可能なように、複数の第1の画素21の信号保持部212がN行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
In the holding unit array 240, the signal holding units 212 of the plurality of first pixels 21 are arranged in a two-dimensional matrix (matrix) of N rows × M columns corresponding to the first pixel array 230. .
Similarly to the first pixel array 230, the holding unit array 240 includes N rows × M columns of signal holding units 212 for the plurality of first pixels 21 so that an image with an aspect ratio of, for example, 16: 9 can be output. Are arranged in a two-dimensional matrix (matrix).

上側の第2の画素アレイ250−1は、複数の第2の画素22の光電変換読み出し部221がP(P<N)行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。   In the upper second pixel array 250-1, the photoelectric conversion readout units 221 of the plurality of second pixels 22 are arranged in a two-dimensional matrix (matrix) of P (P <N) rows × M columns. Yes.

同様に、下側の第2の画素アレイ250−2は、複数の第2の画素22の光電変換読み出し部221がP(P<N)行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。   Similarly, in the second pixel array 250-2 on the lower side, the photoelectric conversion readout unit 221 of the plurality of second pixels 22 has a two-dimensional matrix shape (matrix shape) of P (P <N) rows × M columns. Is arranged.

図3の例において、第2の画素アレイ250−1,250−2は、第1の画素アレイ230の第1の垂直信号線LSGN11の配線方向の両側(上側および下側)に配置されている。なお、第2の画素アレイ250は、第1の画素アレイ230の第1の垂直信号線LSGN11の配線方向の両側のうち少なくとも一方側に配置されていてもよい。   In the example of FIG. 3, the second pixel arrays 250-1 and 250-2 are arranged on both sides (upper and lower sides) of the first vertical signal line LSGN 11 of the first pixel array 230 in the wiring direction. . Note that the second pixel array 250 may be disposed on at least one side of both sides of the first vertical signal line LSGN11 in the wiring direction of the first pixel array 230.

第2の画素アレイ250−1,250−2は、ローリングシャッタモード時に、第1の画素アレイ230とともに、アクティブとされ、全体としてたとえば1:1のアスペクト比の画像を出力可能なように、複数の第2の画素22の光電変換読み出し部221がP(P<N)行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。上記アスペクト比は4:3など任意の比率でも良い。   The second pixel arrays 250-1 and 250-2 are activated together with the first pixel array 230 in the rolling shutter mode, and a plurality of second pixel arrays 250-1 and 250-2 can output an image having an aspect ratio of 1: 1 as a whole. The photoelectric conversion readout units 221 of the second pixels 22 are arranged in a two-dimensional matrix (matrix) of P (P <N) rows × M columns. The aspect ratio may be an arbitrary ratio such as 4: 3.

上記したように、本実施形態において、読み出し部70は、第2の動作であるグローバルシャッタモード時には、第1の画素アレイ230のアスペクト比に対応するアスペクト比の画像を出力可能である。より具体的には、読み出し部70は、第2の動作であるグローバルシャッタモード時には、第1の画素アレイ230において形成可能な任意のアスペクト比の画像を出力可能である。
また、読み出し部70は、第1の動作であるローリングシャッタモード時には、第1の画素アレイ230と第2の画素アレイ250(−1,−2)により形成される合成画素アレイにおいて形成可能な任意のアスペクト比の画像を出力可能である。
As described above, in the present embodiment, the readout unit 70 can output an image having an aspect ratio corresponding to the aspect ratio of the first pixel array 230 in the global shutter mode that is the second operation. More specifically, the readout unit 70 can output an image having an arbitrary aspect ratio that can be formed in the first pixel array 230 in the global shutter mode that is the second operation.
Further, the reading unit 70 can be formed in a composite pixel array formed by the first pixel array 230 and the second pixel array 250 (−1, −2) in the rolling shutter mode that is the first operation. An image with an aspect ratio of can be output.

なお、ローリングシャッタモード時には、第1の画素アレイ230を電子式手ぶれ補正用の領域として利用し、16:9のアスペクト比の画像を出力するようにしてもよい。   In the rolling shutter mode, the first pixel array 230 may be used as an area for electronic camera shake correction to output an image with an aspect ratio of 16: 9.

また、第1の画素アレイ230と第2の画素アレイ250−1,250−2の同一列の光電変換読み出し部211は、共通の第1の垂直信号線LSGN11に接続されている。   In addition, the photoelectric conversion readout units 211 in the same column of the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2 are connected to the common first vertical signal line LSGN11.

固体撮像装置10が、後述するように、第1の基板(上基板)と第2の基板(下基板)の積層構造を有する場合、第1の基板に第1の画素アレイ230と第2の画素アレイ250−1,250−2が形成され、第2の基板に保持部アレイ240が第1の画素アレイ230と対向するように形成される。   As will be described later, when the solid-state imaging device 10 has a laminated structure of a first substrate (upper substrate) and a second substrate (lower substrate), the first pixel array 230 and the second substrate are formed on the first substrate. Pixel arrays 250-1 and 250-2 are formed, and a holding unit array 240 is formed on the second substrate so as to face the first pixel array 230.

画素部20は、読み出し部70の制御の下、第1の動作であるローリングシャッタモード時には、第1の画素アレイ230および第2の画素アレイ250−1,250−2をアクティブにして順次画素がアクセスされて画素信号の読み出しが行単位で行われる。   The pixel unit 20 activates the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2 in the rolling shutter mode, which is the first operation under the control of the reading unit 70, so that the pixels are sequentially arranged. The pixel signal is read out and accessed in units of rows.

また、画素部20は、読み出し部70の制御の下、第2の動作であるグローバルシャッタモード時には、第1の画素アレイ230および第2の画素アレイ250−1,250−2の光電変換読み出し部211,221における選択トランジスタSEL1−Tr.SEL2−Trを非選択状態とした状態(信号SELがローレベル)で、第1の画素アレイ230および保持部アレイ240をアクティブにして画素信号の読み出しが行われる。   Further, the pixel unit 20 controls the photoelectric conversion readout unit of the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2 in the global shutter mode which is the second operation under the control of the readout unit 70. 211, 221 and select transistors SEL1-Tr. In a state where SEL2-Tr is in a non-selected state (the signal SEL is at a low level), the first pixel array 230 and the holding unit array 240 are activated and pixel signals are read out.

画素部20において、たとえば転送トランジスタTG−Tr、リセットトランジスタRST−Tr、および選択トランジスタSEL−Trの各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時並列的に行われる。   In the pixel unit 20, for example, the gates of the transfer transistor TG-Tr, the reset transistor RST-Tr, and the selection transistor SEL-Tr are connected in units of rows. Is called.

画素部20には、画素が(N+2P)行×M列配置されているので、各制御線LSEL、LRST、LTGはそれぞれ(N+2P)本、第1の垂直信号線LSGN11および第2の垂直信号線LSGN12はそれぞれM本ある。
図1においては、各行制御線を1本の行走査制御線として表している。同様に、各垂直信号線LSGN11,LSGN12を1本の垂直信号線として表している。
Since the pixels are arranged in (N + 2P) rows × M columns in the pixel unit 20, each of the control lines LSEL, LRST, and LTG has (N + 2P) lines, the first vertical signal line LSGN11, and the second vertical signal line. There are M LSGNs 12 each.
In FIG. 1, each row control line is represented as one row scanning control line. Similarly, each vertical signal line LSGN11, LSGN12 is represented as one vertical signal line.

垂直走査回路30は、タイミング制御回路60の制御に応じてシャッタ行および読み出し行において行走査制御線を通して第1の画素21の光電変換読み出し部211および信号保持部212、並びに第2の画素22の光電変換読み出し部221の駆動を行う。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッタ行の行アドレスの行選択信号を出力する。
The vertical scanning circuit 30 controls the photoelectric conversion readout unit 211 and the signal holding unit 212 of the first pixel 21 and the second pixel 22 through the row scanning control line in the shutter row and readout row according to the control of the timing control circuit 60. The photoelectric conversion readout unit 221 is driven.
Further, the vertical scanning circuit 30 outputs a row selection signal of a row address of a read row that reads out the signal and a shutter row that resets the charge accumulated in the photodiode PD in accordance with the address signal.

カラム読み出し回路40は、画素部20の各列出力に対応して配置された複数の列信号処理回路(図示せず)を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。   The column readout circuit 40 includes a plurality of column signal processing circuits (not shown) arranged corresponding to the respective column outputs of the pixel unit 20, and is configured to allow column parallel processing by the plurality of column signal processing circuits. Also good.

本第1の実施形態に係るカラム読み出し回路40は、相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)回路やADC(アナログデジタルコンバータ;AD変換器)、アンプ(AMP,増幅器)、サンプルホールド(S/H)回路等を含んで構成可能である。   The column readout circuit 40 according to the first embodiment includes a correlated double sampling (CDS) circuit, an ADC (analog / digital converter; AD converter), an amplifier (AMP), a sample hold (S / S). H) It can be configured including a circuit or the like.

このように、カラム読み出し回路40は、たとえば図4(A)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをデジタル信号に変換するADC41を含んで構成されてもよい。
あるいは、カラム読み出し回路40は、たとえば図4(B)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号を増幅するアンプ(AMP)42が配置されてもよい。
また、カラム読み出し回路40は、たとえば図4(C)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをサンプル、ホールドするサンプルホールド(S/H)回路43が配置されてもよい。
As described above, the column readout circuit 40 may be configured to include the ADC 41 that converts the readout signal VSL output from each column of the pixel unit 20 into a digital signal, as shown in FIG. 4A, for example.
Alternatively, the column readout circuit 40 may be provided with an amplifier (AMP) 42 that amplifies the readout signal of each column output of the pixel unit 20 as shown in FIG. 4B, for example.
Further, the column readout circuit 40 may be provided with a sample hold (S / H) circuit 43 that samples and holds the readout signal VSL output from each column of the pixel unit 20 as shown in FIG. 4C, for example. .

本第1の実施形態において、カラム読み出し回路40は、たとえば各列の列信号処理回路に、第1の垂直信号線LSGN11を伝送された信号と第2の垂直信号線LSGN12を伝送された信号を動作モードに応じて選択的に入力させる回路が配置されている。   In the first embodiment, the column readout circuit 40 sends, for example, a signal transmitted through the first vertical signal line LSGN11 and a signal transmitted through the second vertical signal line LSGN12 to the column signal processing circuit of each column. A circuit for selectively inputting according to the operation mode is arranged.

水平走査回路50は、読み出し回路40のADC等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、図示しない信号処理回路に出力する。   The horizontal scanning circuit 50 scans a signal processed by a plurality of column signal processing circuits such as an ADC of the reading circuit 40, transfers it in the horizontal direction, and outputs it to a signal processing circuit (not shown).

タイミング制御回路60は、画素部20、垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。   The timing control circuit 60 generates timing signals necessary for signal processing of the pixel unit 20, the vertical scanning circuit 30, the readout circuit 40, the horizontal scanning circuit 50, and the like.

読み出し部70は、第1の動作であるローリングシャッタモード時に、第1の画素アレイ230および第2の画素アレイ250−1,250−2をアクティブにして順次画素をアクセスさせて画素信号の読み出しを行単位で行う。   In the rolling shutter mode, which is the first operation, the reading unit 70 activates the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2 to sequentially access the pixels to read out pixel signals. Do it line by line.

読み出し部70は、第2の動作であるグローバルシャッタモード時に、第1の画素アレイ230および第2の画素アレイ250−1,250−2の光電変換読み出し部221における選択トランジスタSEL1−Tr.SEL2−Trを非選択状態とした状態(信号SELがローレベル)で、第1の画素アレイ230および保持部アレイ240をアクティブにして画素信号の読み出しを行う。   In the global shutter mode, which is the second operation, the readout unit 70 selects the selection transistors SEL1-Tr. In the photoelectric conversion readout unit 221 of the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2. In a state where SEL2-Tr is in a non-selected state (the signal SEL is at a low level), the first pixel array 230 and the holding unit array 240 are activated to read out pixel signals.

(固体撮像装置10の積層構造)
次に、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10の積層構造について説明する。
(Laminated structure of the solid-state imaging device 10)
Next, a stacked structure of the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment will be described.

図5は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10の積層構造について説明するための図である。   FIG. 5 is a diagram for explaining a stacked structure of the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment.

本第1の実施形態に係る固体撮像装置10は、第1の基板(上基板)110と第2の基板(下基板)120の積層構造を有する。
固体撮像装置10は、たとえばウェハレベルで貼り合わせた後、ダイシングで切り出した積層構造の撮像装置として形成される。
本例では、第2の基板120上に第1の基板110が積層された構造を有する。
The solid-state imaging device 10 according to the first embodiment has a stacked structure of a first substrate (upper substrate) 110 and a second substrate (lower substrate) 120.
The solid-state imaging device 10 is formed as an imaging device having a laminated structure that is bonded at a wafer level and cut out by dicing, for example.
In this example, the first substrate 110 is stacked on the second substrate 120.

第1の基板110には、その中央部を中心として画素部20の各第1の画素21の光電変換読み出し部211が配列された第1の画素アレイ230が形成され、第1の画素アレイ230の第1の垂直信号線LSGN11の配線方向の両側(上側および下側)に第2の画素アレイ250−1,250−2が形成されている。
また、第1の基板110には、第1の垂直信号線LSGN11が形成されている。
On the first substrate 110, a first pixel array 230 is formed in which the photoelectric conversion read-out portions 211 of the first pixels 21 of the pixel unit 20 are arranged around the central portion thereof, and the first pixel array 230 is formed. Second pixel arrays 250-1 and 250-2 are formed on both sides (upper side and lower side) of the first vertical signal line LSGN 11 in the wiring direction.
A first vertical signal line LSGN11 is formed on the first substrate 110.

このように、本第1の実施形態においては、第1の基板110には、第1の画素21の光電変換読み出し部211および第2の画素22の光電変換読み出し部221が行列状に形成されている。   As described above, in the first embodiment, the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 and the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22 are formed in a matrix on the first substrate 110. ing.

第2の基板120には、その中央部を中心として第1の画素アレイ230の各光電変換読み出し部211の出力ノードND21と接続される各第1の画素21の信号保持部212がマトリクス状に配列された保持部アレイ240(領域121)および第2の垂直信号線LSGN12が形成されている。
そして、保持部アレイ240の周囲、図5の例では、図中の上側および下側にカラム読み出し回路40用の領域122,123が形成されている。なお、カラム読み出し回路40は、保持部アレイ240の領域121の上側および下側のいずれかに配置されるように構成してもよい。
また、保持部アレイ240の側部側に垂直走査回路30用の領域124や、デジタル系や出力系の領域125が形成されている。
また、第2の基板120には、垂直走査回路30、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60も形成されてもよい。
In the second substrate 120, the signal holding units 212 of the first pixels 21 connected to the output nodes ND21 of the photoelectric conversion readout units 211 of the first pixel array 230 centering on the center are arranged in a matrix. The arranged holding unit array 240 (region 121) and the second vertical signal line LSGN12 are formed.
Then, in the example of FIG. 5 around the holding unit array 240, regions 122 and 123 for the column readout circuit 40 are formed on the upper side and the lower side in the drawing. Note that the column readout circuit 40 may be configured to be disposed on either the upper side or the lower side of the region 121 of the holding unit array 240.
Further, a region 124 for the vertical scanning circuit 30 and a digital system or output system region 125 are formed on the side of the holding unit array 240.
Further, the vertical scanning circuit 30, the horizontal scanning circuit 50, and the timing control circuit 60 may also be formed on the second substrate 120.

このような積層構造において、第1の基板110の第1の画素アレイ230の各光電変換読み出し部211の出力ノードND21と第2の基板120の各第1の画素21の信号保持部212の入力ノードND22とが、たとえば図2に示すように、それぞれビア(Die−to−Die Via)やマイクロバンプ等を用いて電気的な接続が行われている。
また、第1の基板110の第1の垂直信号線LSGN11と第2の基板120のカラム読み出し回路40の入力部とが、たとえば図2に示すように、それぞれビア(Die−to−Die Via)やマイクロバンプ等を用いて電気的な接続が行われている。
In such a stacked structure, the input node ND21 of each photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel array 230 of the first substrate 110 and the input of the signal holding unit 212 of each first pixel 21 of the second substrate 120 are used. For example, as shown in FIG. 2, the node ND <b> 22 is electrically connected using vias (Die-to-Die Via), micro bumps, or the like.
Further, the first vertical signal line LSGN11 of the first substrate 110 and the input portion of the column readout circuit 40 of the second substrate 120 are respectively connected to vias (Die-to-Die Via) as shown in FIG. Electrical connection is made using micro bumps or the like.

(固体撮像装置10の読み出し動作)
以上、固体撮像装置10の各部の特徴的な構成および機能について説明した。
次に、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10のグローバルシャッタモード時およびローリングシャッタモード時の読み出し動作等について詳述する。
(Reading operation of the solid-state imaging device 10)
The characteristic configuration and function of each part of the solid-state imaging device 10 have been described above.
Next, a read operation and the like in the global shutter mode and the rolling shutter mode of the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment will be described in detail.

(グローバルシャッタモード時の読み出し動作)
まず、グローバルシャッタモード時の読み出し動作について説明する。
図6(A)〜図6(H)は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置のグローバルシャッタモード時の読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
(Reading operation in global shutter mode)
First, the reading operation in the global shutter mode will be described.
6A to 6H are timing charts for explaining a read operation in the global shutter mode of the solid-state imaging device according to the first embodiment.

図6(A)はグローバルシャッタモード時の読み出し動作過程を示している。図6(B)は第1の画素21の光電変換読み出し部211および第2の画素22の光電変換読み出し部221の選択トランジスタSEL1−Tr、SEL2−Trの制御信号SELを示している。図6(C)は第1の画素21の光電変換読み出し部211および第2の画素22の光電変換読み出し部221のリセットトランジスタRST1−Tr、RST2−Trの制御信号RSTを示している。図6(D)は第1の画素21の光電変換読み出し部211および第2の画素22の光電変換読み出し部221の転送トランジスタTG1−Tr、TG2−Trの制御信号TGを示している。
図6(E)は第1の画素21の信号保持部212のスイッチ素子SW21の制御信号sw1を示している。図6(F)は第1の画素21の信号保持部212のスイッチ素子SW22の制御信号SHRTを示している。図6(G)は第1の画素21の信号保持部212の選択トランジスタSEL3−Trの制御信号SEL3を示している。図6(H)は第1の画素21の信号保持部212に配置された定電流源Ibias3の駆動状態(オン、オフ状態)を示している。
FIG. 6A shows a reading operation process in the global shutter mode. FIG. 6B shows control signals SEL for the selection transistors SEL1-Tr and SEL2-Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 and the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22. FIG. 6C shows control signals RST of the reset transistors RST1-Tr and RST2-Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 and the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22. FIG. 6D shows control signals TG for the transfer transistors TG1-Tr and TG2-Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 and the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22.
FIG. 6E shows the control signal sw <b> 1 of the switch element SW <b> 21 of the signal holding unit 212 of the first pixel 21. FIG. 6F shows the control signal SHRT of the switch element SW22 of the signal holding unit 212 of the first pixel 21. FIG. 6G shows the control signal SEL3 of the selection transistors SEL3-Tr of the signal holding unit 212 of the first pixel 21. FIG. 6H shows a driving state (on / off state) of the constant current source Ibias3 arranged in the signal holding unit 212 of the first pixel 21. FIG.

グローバルシャッタモード時には、図6(B)に示すように、第1の画素21の光電変換読み出し部211および第2の画素22の光電変換読み出し部221の選択トランジスタSEL1−Tr、SEL2−Trの制御信号SELがグローバルシャッタモードの全期間中ローレベル(L)に設定される。
これにより、グローバルシャッタモードの全期間中第1の画素アレイ230と第2の画素アレイ250−1,250−2から第1の垂直信号線LSGN11への電圧信号の出力が抑止(停止)される。
したがって、第2の画素アレイ250−1,250−2は非アクティブ状態に制御される。
また、第1の画素アレイ230は、アクティブ状態であり、出力ノードND21からの電圧信号の信号保持部212への出力可能状態となっている。
すなわち、グローバルシャッタモード時には、第1の画素アレイ230および第2の画素アレイ250−1,250−2のうち、第1の画素アレイ230のみがアクティブ状態にあることから、たとえば16:9のアスペクト比の画像が出力可能状態となっている。
In the global shutter mode, as shown in FIG. 6B, control of the selection transistors SEL1-Tr and SEL2-Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 and the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22 is performed. The signal SEL is set to the low level (L) during the entire period of the global shutter mode.
This suppresses (stops) the output of voltage signals from the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2 to the first vertical signal line LSGN11 during the entire period of the global shutter mode. .
Therefore, the second pixel arrays 250-1 and 250-2 are controlled to be inactive.
Further, the first pixel array 230 is in an active state, and is in a state in which a voltage signal from the output node ND21 can be output to the signal holding unit 212.
That is, in the global shutter mode, only the first pixel array 230 is in the active state among the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2. The ratio image is ready to be output.

図6(B)〜図6(H)において、時刻t1〜t2は、第1の画素アレイ230のすべての光電変換読み出し部211におけるフォトダイオードPD21およびフローティングディフュージョンFD21のリセット期間である。   6B to 6H, times t1 to t2 are reset periods of the photodiodes PD21 and the floating diffusion FD21 in all the photoelectric conversion readout units 211 of the first pixel array 230.

なお、このリセット期間においては、保持部アレイ240のすべての信号保持部212の駆動を制御する、スイッチ素子SW21の制御信号sw1、スイッチ素子SW22を制御する制御信号SHRT、選択トランジスタSEL3−Trを制御する制御信号SEL3はLレベルに設定され、スイッチ素子SW21、スイッチ素子SW22、選択トランジスタSEL3−Trが非導通状態に制御され、定電流源Ibias3はオフ状態に制御されている。   In this reset period, the control signal sw1 for the switch element SW21, the control signal SHRT for controlling the switch element SW22, and the selection transistors SEL3-Tr for controlling the driving of all the signal holding units 212 of the holding unit array 240 are controlled. The control signal SEL3 to be set is set to L level, the switch element SW21, the switch element SW22, and the selection transistor SEL3-Tr are controlled to be in a non-conductive state, and the constant current source Ibias3 is controlled to be in an off state.

このような状態で、リセット期間において、リセットトランジスタRST1−Trが、制御信号RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となる。
そして、制御信号RSTがHレベル期間中に、転送トランジスタTG1−Trが、制御信号TGがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD21で光電変換され蓄積された電荷(電子)の蓄積ノードがフローティングディフュージョンFD21と導通状態となり、フォトダイオードPD21およびフローティングディフュージョンFD21が電源線Vddの電位にリセットされる。
In such a state, in the reset period, the reset transistors RST1-Tr are selected during the period in which the control signal RST is at the H level and become conductive.
Then, during the period when the control signal RST is at the H level, the transfer transistors TG1-Tr are selected during the period when the control signal TG is at the H level and become conductive, and the charge (electrons) accumulated by the photoelectric conversion by the photodiode PD21 is stored. The storage node becomes conductive with the floating diffusion FD21, and the photodiode PD21 and the floating diffusion FD21 are reset to the potential of the power supply line Vdd.

フォトダイオードPD21のリセット後、転送トランジスタTG1−Trの制御信号TGがLレベルに切り替えられ、転送トランジスタTG1−Trが非導通状態となり、フォトダイオードPD21では光電変換された電荷の蓄積が開始される。
このとき、リセットトランジスタRST1−Trの制御信号RSTはHレベルに保持されており、フローティングディフュージョンFD21が電源線Vddの電位にリセットされたままの状態に保持される。
そして、リセット期間の終了のため、リセットトランジスタRST1−Trの制御信号RSTはLレベルに切り替えられ、リセットトランジスタRST1−Trは非導通状態となる。
After the reset of the photodiode PD21, the control signal TG of the transfer transistor TG1-Tr is switched to the L level, the transfer transistor TG1-Tr is turned off, and the photodiode PD21 starts accumulating the photoelectrically converted charge.
At this time, the control signal RST of the reset transistors RST1-Tr is kept at the H level, and the floating diffusion FD21 is kept reset to the potential of the power supply line Vdd.
Then, because the reset period ends, the control signal RST of the reset transistor RST1-Tr is switched to the L level, and the reset transistor RST1-Tr is turned off.

次に、時刻t2〜t3においては、リセット状態時の画素信号を読み出し、および信号保持部212の信号保持キャパシタC22への読み出しリセット信号VRSTの保持期間である。   Next, from time t2 to time t3, the pixel signal in the reset state is read, and the read reset signal VRST is held in the signal holding capacitor C22 of the signal holding unit 212.

各光電変換読み出し部211では、ソースフォロワトランジスタSF1−Trにより、フローティングディフュージョンFD21の電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出しリセット信号VRSTとして出力ノードND21から出力される。   In each photoelectric conversion read-out unit 211, the charge of the floating diffusion FD21 is converted into a voltage signal by a source follower transistor SF1-Tr with a gain corresponding to the amount of charge (potential), and is output from the output node ND21 as a column output read reset signal VRST. Is output.

光電変換読み出し部211において、リセットトランジスタRST1−Trの制御信号RSTがLレベルに切り替えられるタイミングに並行して、保持部アレイ240のすべての信号保持部212では、次の制御が行われる。
信号保持部212において、制御信号sw1がHレベルに切り替えられてスイッチ素子SW21が導通状態となり、制御信号SHRTがHレベルに切り替えられてスイッチ素子SW22が導通状態となり、定電流源Ibias3がオン状態となるように制御される。
In the photoelectric conversion readout unit 211, in parallel with the timing at which the control signals RST of the reset transistors RST1-Tr are switched to the L level, the following control is performed in all the signal holding units 212 of the holding unit array 240.
In the signal holding unit 212, the control signal sw1 is switched to the H level, the switch element SW21 is turned on, the control signal SHRT is switched to the H level, the switch element SW22 is turned on, and the constant current source Ibias3 is turned on. It is controlled to become.

これにより、時刻t2において、各光電変換読み出し部211の出力ノードND21から出力される読み出しリセット信号VRSTは、第3の信号線LSGN13を通して対応する信号保持部212に伝送され、スイッチ素子SW21およびスイッチSW22を通して信号保持キャパシタC22に保持される。   Thereby, at time t2, the read reset signal VRST output from the output node ND21 of each photoelectric conversion read unit 211 is transmitted to the corresponding signal holding unit 212 through the third signal line LSGN13, and the switch element SW21 and the switch SW22. Through the signal holding capacitor C22.

次いで、制御信号sw1がHレベルでスイッチ素子SW21が導通状態に保持され、定電流源Ibias3がオン状態に保持された状態で、制御信号SHRTがLレベルに切り替えられ、スイッチ素子SW22が非導通状態となる。   Next, in a state where the control signal sw1 is at the H level and the switch element SW21 is held in the conductive state, and the constant current source Ibias3 is held in the on state, the control signal SHRT is switched to the L level and the switch element SW22 is in the nonconductive state. It becomes.

ここで、時刻t3を含む所定期間が転送期間となる。
転送期間には、各光電変換読み出し部211において、転送トランジスタTG1−Trが、制御信号TGがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD21で光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFD21に転送される。
転送期間が終了すると、転送トランジスタTG1−Trの制御信号TGがLレベルに切り替えられ、転送トランジスタTG1−Trが非導通状態となる。
Here, a predetermined period including time t3 is a transfer period.
In the transfer period, in each photoelectric conversion readout unit 211, the transfer transistors TG1-Tr are selected when the control signal TG is at the H level and become conductive, and the electric charges (electrons) that are photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PD21. Is transferred to the floating diffusion FD21.
When the transfer period ends, the control signal TG of the transfer transistors TG1-Tr is switched to the L level, and the transfer transistors TG1-Tr are turned off.

この状態で時刻t4に、各光電変換読み出し部211では、ソースフォロワトランジスタSF1−Trにより、フローティングディフュージョンFD11の電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSIGとして出力ノードND21から出力される。   In this state, at time t4, in each photoelectric conversion readout unit 211, the source follower transistors SF1-Tr convert the charge of the floating diffusion FD11 into a voltage signal with a gain corresponding to the amount of charge (potential), and a column output readout signal Output from the output node ND21 as VSIG.

そして、時刻t4において、各光電変換読み出し部211の出力ノードND21から出力される読み出し信号VSIGは、第3の信号線LSGN13を通して対応する信号保持部212に伝送され、スイッチ素子SW21を通して信号保持キャパシタC21に保持される。   At time t4, the readout signal VSIG output from the output node ND21 of each photoelectric conversion readout unit 211 is transmitted to the corresponding signal holding unit 212 through the third signal line LSGN13, and the signal holding capacitor C21 through the switch element SW21. Retained.

信号保持キャパシタC21に読み出し信号VSIGを保持した後、制御信号sw1がLレベルに切り替えられて、スイッチ素子SW21が非導通状態となり、その後、定電流源Ibias3がオフ状態に切り替えられる。   After the read signal VSIG is held in the signal holding capacitor C21, the control signal sw1 is switched to the L level, the switch element SW21 is turned off, and then the constant current source Ibias3 is switched to the off state.

この状態で保持した信号を読み出すため、保持部アレイ240の中のある一行を選択するために、その選択された行の各選択トランジスタSEL3−Trの制御信号SEL3がHレベルに設定されて、その選択トランジスタSEL3−Trが導通状態となる。
そして、時刻t5において、信号保持キャパシタC22に保持された読み出しリセット信号VRSTの読み出しが行われる。
このとき、各信号保持部212においては、ゲートがノードND24に接続されたソースフォロワトランジスタSF3−Trにより、ノードND24に接続された信号保持キャパシタC22の保持電圧に応じて、列出力の読み出しリセット信号VRSTとして第2の垂直信号線LSGN12に出力され、カラム読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。
In order to read out the signal held in this state, in order to select a certain row in the holding unit array 240, the control signal SEL3 of each selection transistor SEL3-Tr in the selected row is set to the H level, The select transistor SEL3-Tr is turned on.
At time t5, the read reset signal VRST held in the signal holding capacitor C22 is read.
At this time, in each signal holding unit 212, a column output read reset signal is generated by the source follower transistor SF3-Tr whose gate is connected to the node ND24 according to the holding voltage of the signal holding capacitor C22 connected to the node ND24. It is output to the second vertical signal line LSGN12 as VRST, supplied to the column readout circuit 40, and held, for example.

次に、制御信号SHRTが時刻t6を含む所定期間、Hレベルに保持され、スイッチ素子SW22が導通状態に保持される。
そして、時刻t6において、信号保持キャパシタC21に保持された読み出し信号VSIGおよび信号保持キャパシタC22に保持された読み出しリセット信号VRSTの合成信号の読み出しが行われる。
合成信号CMSは、次式で表すことができる。
Next, the control signal SHRT is held at the H level for a predetermined period including the time t6, and the switch element SW22 is held in the conductive state.
At time t6, the combined signal of the read signal VSIG held in the signal holding capacitor C21 and the read reset signal VRST held in the signal holding capacitor C22 is read.
The combined signal CMS can be expressed by the following equation.

[数1]
CMS
={(C1/(C1+C2))・VSIG+(C2/(C1+C2))・VRST}
ここで、C1は信号保持キャパシタC21の容量を、C2は信号保持キャパシタC22の容量を表している。
[Equation 1]
CMS
= {(C1 / (C1 + C2)). VSIG + (C2 / (C1 + C2)). VRST}
Here, C1 represents the capacitance of the signal holding capacitor C21, and C2 represents the capacitance of the signal holding capacitor C22.

このとき、各信号保持部212においては、ゲートがノードND23およびノードND24に接続されたソースフォロワトランジスタSF3−Trにより、ノードND23に接続された信号保持キャパシタC21およびノードND24に接続された信号保持キャパシタC22の保持電圧に応じて、列出力の読み出し合成信号CMSとして第2の垂直信号線LSGN12に出力され、カラム読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。   At this time, in each signal holding unit 212, a signal follower capacitor C21 connected to the node ND23 and a signal hold capacitor connected to the node ND24 by a source follower transistor SF3-Tr whose gates are connected to the nodes ND23 and ND24. In response to the holding voltage of C22, it is output to the second vertical signal line LSGN12 as a column output read composite signal CMS, supplied to the column read circuit 40, and held, for example.

そして、たとえば読み出し部70の一部を構成する読み出し回路40において、時刻t5に読み出された読み出しリセット信号VRSTと時刻t6に読み出された合成信号CMSとの差分(VRST−CMS)がとられてCDS処理が行われる。   For example, in the readout circuit 40 constituting a part of the readout unit 70, a difference (VRST−CMS) between the readout reset signal VRST read out at time t5 and the combined signal CMS read out at time t6 is taken. CDS processing is performed.

[数2]
VRST−CMS=VRST−
{(C1/(C1+C2))・VSIG+(C2/(C1+C2))・VRST}
=(C1/(C1+C2))・(VRST−VSIG)
[Equation 2]
VRST-CMS = VRST-
{(C1 / (C1 + C2)). VSIG + (C2 / (C1 + C2)). VRST}
= (C1 / (C1 + C2)). (VRST-VSIG)

(ローリングシャッタモード時の読み出し動作)
次に、ローリングシャッタモード時の読み出し動作について説明する。
図7(A)〜図7(D)は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置のローリングシャッタモード時の読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
(Reading operation in rolling shutter mode)
Next, a reading operation in the rolling shutter mode will be described.
FIG. 7A to FIG. 7D are timing charts for explaining the reading operation in the rolling shutter mode of the solid-state imaging device according to the first embodiment.

図7(A)は第1の画素21の光電変換読み出し部211および第2の画素22の光電変換読み出し部221の選択トランジスタSEL1−Tr、SEL2−Trの制御信号SELを示している。図7(B)は第1の画素21の光電変換読み出し部211および第2の画素22の光電変換読み出し部221のリセットトランジスタRST1−Tr、RST2−Trの制御信号RSTを示している。図7(C)は第1の画素21の光電変換読み出し部211および第2の画素22の光電変換読み出し部221の転送トランジスタTG1−Tr、TG2−Trの制御信号TGを示している。
図7(D)は第1の画素21の信号保持部212のスイッチ素子SW21の制御信号sw1、スイッチ素子SW22の制御信号SHRT、選択トランジスタSEL3−Trの制御信号SEL3を示している。
FIG. 7A shows control signals SEL of the selection transistors SEL1-Tr and SEL2-Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 and the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22. FIG. 7B shows control signals RST of the reset transistors RST1-Tr and RST2-Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 and the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22. FIG. 7C shows control signals TG for the transfer transistors TG1-Tr and TG2-Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21 and the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel 22.
FIG. 7D shows the control signal sw1 of the switch element SW21 of the signal holding unit 212 of the first pixel 21, the control signal SHRT of the switch element SW22, and the control signal SEL3 of the selection transistors SEL3-Tr.

なお、このローリングシャッタモード期間においては、保持部アレイ240のすべての信号保持部212の駆動を制御する、スイッチ素子SW21の制御信号sw1、スイッチ素子SW22を制御する制御信号SHRT、選択トランジスタSEL3−Trを制御する制御信号SEL3はLレベルに設定され、スイッチ素子SW21、スイッチ素子SW22、選択トランジスタSEL3−Trが非導通状態に制御されている。   In this rolling shutter mode period, the control signal sw1 for the switch element SW21, the control signal SHRT for controlling the switch element SW22, and the selection transistor SEL3-Tr for controlling the driving of all the signal holding parts 212 of the holding part array 240. The control signal SEL3 for controlling is set to L level, and the switch element SW21, the switch element SW22, and the selection transistor SEL3-Tr are controlled to be in a non-conductive state.

すなわち、ローリングシャッタモード期間においては、第2の基板120に形成された保持部アレイ240の全ての信号保持部212はアクセスされない。
ローリングシャッタモード期間においては、第1の基板110に形成されただ第1の画素アレイ230および第2の画素アレイ250−1,250−2が行単位で順次にアクセスされる。
すなわち、ローリングシャッタモード時には、第1の画素アレイ230および第2の画素アレイ250−1,250−2がアクティブ状態にあることから、たとえば16:9あるいは16:9とは異なる1:1や4:3等のアスペクト比の画像が出力可能状態となっている。
That is, in the rolling shutter mode period, all the signal holding units 212 of the holding unit array 240 formed on the second substrate 120 are not accessed.
In the rolling shutter mode period, the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2 formed on the first substrate 110 are sequentially accessed in units of rows.
That is, in the rolling shutter mode, since the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2 are in an active state, for example, 1: 1 or 4 different from 16: 9 or 16: 9. : An image with an aspect ratio of 3 or the like can be output.

ローリングシャッタモード期間においては、図7(A)に示すように、第1の画素アレイ230または第2の画素アレイ250−1,250−2の中のある一行を選択するために、その選択された行の第1の画素アレイ230の各光電変換読み出し部211または第2の画素アレイ250−1,250−2の光電変換読み出し部221を制御(駆動)する制御信号SELがHレベルに設定されて画素の選択トランジスタSEL2−Tr(またはSEL1−Tr)が導通状態となる。   In the rolling shutter mode period, as shown in FIG. 7A, in order to select one row in the first pixel array 230 or the second pixel array 250-1, 250-2, the selected row is selected. The control signal SEL for controlling (driving) each photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel array 230 in the row or the photoelectric conversion readout unit 221 of the second pixel arrays 250-1 and 250-2 is set to the H level. Thus, the selection transistor SEL2-Tr (or SEL1-Tr) of the pixel is turned on.

この選択状態において、リセット期間PRにリセットトランジスタRST2−Tr(またはRST1−Tr)が、制御線RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFD22(またはFD21)が電源線Vddの電位にリセットされる。
このリセット期間PRが経過した後(リセットトランジスタRST2−TrまたはRST1−Trが非導通状態)、転送期間PTが開始されるまでの時刻t11を含む期間が、リセット状態時の画素信号を読み出す第1読み出し期間となる。
In this selected state, the reset transistor RST2-Tr (or RST1-Tr) is selected during the reset period PR while the control line RST is selected during the H level, and the floating diffusion FD22 (or FD21) is connected to the power supply line Vdd. Reset to potential.
After this reset period PR has passed (the reset transistor RST2-Tr or RST1-Tr is in a non-conductive state), the period including the time t11 until the transfer period PT is started is the first to read out the pixel signal in the reset state. It becomes a reading period.

時刻t11において、選択された行のソースフォロワトランジスタSF2−Tr(またはSF1−Tr)により、フローティングディフュージョンFD22(またはFD21)の電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出しリセット信号VRSTとして第1の垂直信号線LSGN11に直ちに出力され、カラム読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。   At time t11, the source follower transistor SF2-Tr (or SF1-Tr) in the selected row converts the charge of the floating diffusion FD22 (or FD21) into a voltage signal with a gain corresponding to the amount of charge (potential), and the column An output read reset signal VRST is immediately output to the first vertical signal line LSGN11 and supplied to the column read circuit 40, for example, held therein.

ここで、第1読み出し期間が終了し、転送期間PTとなる。
転送期間PTに転送トランジスタTG2−Tr(またはTG1−Tr)が、制御信号TGがハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD22(またはPD21)で光電変換され蓄積された電荷(電子)がフローティングディフュージョンFD22(またはFD21)に転送される。
この転送期間PTが経過した後(転送トランジスタTG2−TrまたはTG1−Trが非導通状態)、フォトダイオードPD22(またはPD21)が光電変換して蓄積した電荷に応じた画素信号を読み出す時刻t12を含む第2読み出し期間となる。
Here, the first read period ends and the transfer period PT begins.
During the transfer period PT, the transfer transistors TG2-Tr (or TG1-Tr) are selected during the period when the control signal TG is at the high level (H) and become conductive, and are photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PD22 (or PD21). Charges (electrons) are transferred to the floating diffusion FD22 (or FD21).
After the transfer period PT elapses (the transfer transistor TG2-Tr or TG1-Tr is in a non-conductive state), it includes a time t12 when the photodiode PD22 (or PD21) reads out a pixel signal corresponding to the charge accumulated by photoelectric conversion. The second readout period is entered.

第2読み出し期間が開始された時刻t12において、選択された行のソースフォロワトランジスタSF2−Tr(またはSF1−Tr)により、フローティングディフュージョンFD22(またはFD21)の電荷が電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換され、列出力の読み出し信号VSIGとして第1の垂直信号線LSGN11に直ちに出力され、カラム読み出し回路40に供給されて、たとえば保持される。   At time t12 when the second read period starts, the source follower transistor SF2-Tr (or SF1-Tr) of the selected row gains the charge of the floating diffusion FD22 (or FD21) according to the charge amount (potential). And is immediately output to the first vertical signal line LSGN11 as a column output read signal VSIG, supplied to the column read circuit 40, for example, held therein.

そして、たとえば読み出し部70の一部を構成する読み出し回路40において、読み出しリセット信号VRSTと読み出し信号VSIGとの差分{VRST−VSIG}がとられてCDS処理が行われる。   Then, for example, in the read circuit 40 constituting a part of the read unit 70, the difference {VRST−VSIG} between the read reset signal VRST and the read signal VSIG is taken, and the CDS process is performed.

上述したように、ローリングシャッタモード期間においては、第1の基板110に形成された第1の画素アレイ230および第2の画素アレイ250−1,250−2が行単位で順次にアクセスされ、上記した読み出し動作が順次に行われる。   As described above, in the rolling shutter mode period, the first pixel array 230 and the second pixel arrays 250-1 and 250-2 formed on the first substrate 110 are sequentially accessed in units of rows. The read operations are sequentially performed.

以上説明したように、本第1の実施形態によれば、固体撮像装置10は、画素部20において、画素として光電変換読み出し部および信号保持部を含む第1の画素21と、光電変換読み出し部を含む第2の画素22が混在されて、第1の動作であるローリングシャッタと第2の動作であるグローバルシャッタの両動作機能を併せ持つ、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。
本第1の実施形態に係る固体撮像装置10において、画素部20は、複数の第1の画素21の光電変換読み出し部211が行列状に配置された第1の画素アレイ230と、複数の第1の画素21の信号保持部212が行列状に配置された保持部アレイ240と、複数の第2の画素の光電変換読み出し部221が行列状に配置された第2の画素アレイ250−1,250−2と、を含んで構成されている。
そして、第1の動作であるローリングシャッタモード時に、第1の画素21および第2の画素22の光電変換読み出し部211,221の読み出し信号が第1の垂直信号線LSGN11にバイパス経路をたどることなく直ちに出力される。また、第2の動作であるグローバルシャッタモード時に、第1の画素の信号保持部212の保持信号が第2の垂直信号線LSGN12に出力される。
As described above, according to the first embodiment, the solid-state imaging device 10 includes the first pixel 21 including the photoelectric conversion readout unit and the signal holding unit as the pixels, and the photoelectric conversion readout unit in the pixel unit 20. And a second pixel 22 including the first and second pixels 22 are mixed and configured as, for example, a stacked CMOS image sensor having both a rolling shutter function as a first operation and a global shutter function as a second operation.
In the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment, the pixel unit 20 includes a first pixel array 230 in which the photoelectric conversion readout units 211 of the plurality of first pixels 21 are arranged in a matrix, and a plurality of first pixels. A holding unit array 240 in which signal holding units 212 of one pixel 21 are arranged in a matrix, and a second pixel array 250-1 in which photoelectric conversion readout units 221 of a plurality of second pixels are arranged in a matrix. 250-2.
Then, in the rolling shutter mode as the first operation, the readout signals of the photoelectric conversion readout units 211 and 221 of the first pixel 21 and the second pixel 22 do not follow the bypass path to the first vertical signal line LSGN11. Output immediately. In the global shutter mode, which is the second operation, the holding signal of the signal holding unit 212 of the first pixel is output to the second vertical signal line LSGN12.

したがって、本第1の実施形態の固体撮像装置10によれば、構成の複雑化を防止しつつ、レイアウト上の面積効率の低下を防止することができる。   Therefore, according to the solid-state imaging device 10 of the first embodiment, it is possible to prevent a reduction in area efficiency on the layout while preventing the configuration from becoming complicated.

また、本第1の実施形態の固体撮像装置10によれば、動作モードに応じて所望のアスペクト比の画像信号を得ることができる。   Moreover, according to the solid-state imaging device 10 of the first embodiment, an image signal having a desired aspect ratio can be obtained according to the operation mode.

また、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10は、第1の基板(上基板)110と第2の基板(下基板)120の積層構造を有する。
第1の基板110には、その中央部を中心として画素部20の各第1の画素21の光電変換読み出し部211が配列された第1の画素アレイ230が形成され、第1の画素アレイ230の第1の垂直信号線LSGN11の配線方向の両側(上側および下側)に第2の画素アレイ250−1,250−2が形成されている。
また、第1の基板110には、第1の垂直信号線LSGN11が形成されている。
第2の基板120には、その中央部を中心として第1の画素アレイ230の各光電変換読み出し部211の出力ノードND21と接続される各第1の画素21の信号保持部212がマトリクス状に配列された保持部アレイ240(領域121)および第2の垂直信号線LSGN12が形成されている。
そして、保持部アレイ240の周囲にカラム読み出し回路40用の領域122,123等が形成されている。
The solid-state imaging device 10 according to the first embodiment has a stacked structure of a first substrate (upper substrate) 110 and a second substrate (lower substrate) 120.
On the first substrate 110, a first pixel array 230 is formed in which the photoelectric conversion read-out portions 211 of the first pixels 21 of the pixel unit 20 are arranged around the central portion thereof, and the first pixel array 230 is formed. Second pixel arrays 250-1 and 250-2 are formed on both sides (upper side and lower side) of the first vertical signal line LSGN 11 in the wiring direction.
A first vertical signal line LSGN11 is formed on the first substrate 110.
In the second substrate 120, the signal holding units 212 of the first pixels 21 connected to the output nodes ND21 of the photoelectric conversion readout units 211 of the first pixel array 230 centering on the center are arranged in a matrix. The arranged holding unit array 240 (region 121) and the second vertical signal line LSGN12 are formed.
Then, areas 122 and 123 for the column readout circuit 40 are formed around the holding unit array 240.

したがって、本第1の実施形態において、第1の基板110側を、基本的に、NMOS系の素子だけで形成すること、および、第1の画素アレイと第2の画素アレイの画素により有効画素領域を最大限に拡大することにより、コストあたりの価値を最大限に高めることができる。   Therefore, in the first embodiment, the first substrate 110 side is basically formed of only NMOS elements, and effective pixels are formed by the pixels of the first pixel array and the second pixel array. By maximizing the area, the value per cost can be maximized.

(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造について説明するための図である。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a diagram for explaining a stacked structure of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.

本第2の実施形態の積層構造が、第1の実施形態の積層構造と異なる点は、次の通りである。
本第2の実施形態の積層構造では、第2の基板120Aに備える垂直走査回路(Row Decoder)30の領域124およびカラム読み出し回路系(Column Signal Chain)用の領域122,123が画素ピッチより小さいピッチで配置されている。
また、第2の基板120Aの周縁部にルーティング領域126〜128を確保することで第1の基板110Aの画素ピッチに配線ピッチを合わせている。
The laminated structure of the second embodiment is different from the laminated structure of the first embodiment as follows.
In the stacked structure of the second embodiment, the region 124 of the vertical scanning circuit (Row Decoder) 30 and the regions 122 and 123 for the column readout circuit system (Column Signal Chain) provided on the second substrate 120A are smaller than the pixel pitch. Arranged at the pitch.
In addition, the wiring pitch is matched to the pixel pitch of the first substrate 110A by securing the routing regions 126 to 128 at the peripheral edge of the second substrate 120A.

さらに、本第2の実施形態の積層構造では、第1の基板110Aに、ローリングシャッタ用の第2の画素アレイ250−3,250−4が、第1の画素アレイ230および第2の画素アレイ250−1,250−2の両側部に形成されている。
これにより、ローリングシャッタモード動作時とグローバルシャッタモード動作時に、同じまたは任意のアスペクト比の画像信号を出力することが可能となる。
Further, in the stacked structure of the second embodiment, the second pixel arrays 250-3 and 250-4 for the rolling shutter are arranged on the first substrate 110A, and the first pixel array 230 and the second pixel array. It is formed on both sides of 250-1 and 250-2.
As a result, it is possible to output image signals having the same or an arbitrary aspect ratio during the rolling shutter mode operation and the global shutter mode operation.

(第3の実施形態)
図9は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造について説明するための図である。
図10(A)および図10(B)は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造において垂直走査回路の構成部品の配置例を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 9 is a diagram for explaining a stacked structure of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 10A and FIG. 10B are diagrams showing examples of arrangement of components of the vertical scanning circuit in the stacked structure of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention.

本第3の実施形態の積層構造が、第1の実施形態の積層構造と異なる点は、次の通りである。
本第3の実施形態の積層構造では、第2の基板120Bに備える垂直走査回路(Row Decoder)の領域124の一部が第1の基板110Bに領域111として形成され、構成部品の一部が第1の基板110Bの領域111に配置されている。
The laminated structure of the third embodiment is different from the laminated structure of the first embodiment as follows.
In the stacked structure of the third embodiment, a part of the region 124 of the vertical scanning circuit (Row Decoder) provided on the second substrate 120B is formed as the region 111 on the first substrate 110B, and a part of the component parts is formed. Arranged in the region 111 of the first substrate 110B.

図10(A)の例では、第1の基板110Bの領域111に、垂直走査回路(Row Decoder)30の電源安定化キャパシタC30が配置されている。
これにより、基本的に画素系のみが形成される第1の基板110Bの空き領域の有効利用を図ることができ、安定化キャパシタC30を内蔵することにより、外付け部品点数を削減することができる。
In the example of FIG. 10A, the power stabilization capacitor C30 of the vertical scanning circuit (Row Decoder) 30 is arranged in the region 111 of the first substrate 110B.
As a result, it is possible to effectively use the empty area of the first substrate 110B in which only the pixel system is basically formed, and the number of external parts can be reduced by incorporating the stabilization capacitor C30. .

図10(B)の例では、垂直走査回路(Row Decoder)30のドライバを構成するCMOSのpチャネルMOS(PMOS)トランジスタPTとnチャネルMOS(NMOS)トランジスタNTのうち、PMOSトランジスタPTが第2の基板120Bに配置され、NMOSトランジスタNTが第1の基板110Bに配置されている。
これにより、基本的に、NMOS系の素子で形成される第1の基板110BにNMOSトランジスタNTを形成することから、設計や製造が容易となり、第1の基板110Bの空き領域の有効利用を図ることができる。
In the example of FIG. 10B, the PMOS transistor PT is the second of the CMOS p-channel MOS (PMOS) transistor PT and n-channel MOS (NMOS) transistor NT constituting the driver of the vertical scanning circuit (Row Decoder) 30. The NMOS transistor NT is disposed on the first substrate 110B.
As a result, the NMOS transistor NT is basically formed on the first substrate 110B formed of an NMOS element, thereby facilitating design and manufacturing, and effective use of the empty area of the first substrate 110B. be able to.

(第4の実施形態)
図11は、本発明の第4の実施形態に係る電荷再生システムの構成例を示す図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a charge regeneration system according to the fourth embodiment of the present invention.

本第4の実施形態の固体撮像装置10は、第1〜第3の実施形態の構成に加えて、電荷再生(電荷リサイクル)システム80が設けられている。   The solid-state imaging device 10 according to the fourth embodiment is provided with a charge regeneration (charge recycling) system 80 in addition to the configurations of the first to third embodiments.

電荷再利用部としての本電荷再生システム80は、外部キャパシタCext、信号保持部212C、オーバチャージレギュレート回路810、およびレギュレータ820,830を含んで構成されている。
なお、オーバチャージレギュレート回路810、およびレギュレータ820,830により電源回路部が構成される。
The charge regeneration system 80 as a charge recycle unit includes an external capacitor Cext, a signal holding unit 212C, an overcharge regulation circuit 810, and regulators 820 and 830.
The overcharge regulation circuit 810 and the regulators 820 and 830 constitute a power supply circuit unit.

なお、図11の信号保持部212Cは、定電流源Ibias3の代わりに第3のスイッチ素子SW23が配置され、選択トランジスタがスイッチ素子SW25として設けられているが、外部接続スイッチ素子としてのスイッチ素子SW24を除いて、機能的には、図2の信号保持部212と同様である。   In the signal holding unit 212C of FIG. 11, the third switch element SW23 is arranged instead of the constant current source Ibias3, and the selection transistor is provided as the switch element SW25. However, the switch element SW24 as the external connection switch element is provided. The functions are the same as those of the signal holding unit 212 in FIG.

本電荷再生システム80は、外部の大きな容量の外部キャパシタCextに全第1の画素21の信号保持部212Cの第1の信号保持キャパシタ(サンプリング容量)CS21および第2の信号保持キャパシタ(サンプリング容量)CS22に溜まった電荷を転送し、自チップのデジタル回路の電源として再利用する。
これにより、チップの消費電力を低減することができる。
The charge regeneration system 80 includes an external capacitor Cext having a large external capacity, a first signal holding capacitor (sampling capacity) CS21 and a second signal holding capacitor (sampling capacity) of the signal holding unit 212C of all the first pixels 21. The charge accumulated in CS 22 is transferred and reused as a power source for the digital circuit of the own chip.
Thereby, the power consumption of the chip can be reduced.

外部接続スイッチ素子としてのスイッチ素子SW24は、信号保持部212Cの第1の保持ノードであるノードND23と入出力端子TI/Oと接続されたノードND80との間に接続され、制御信号sw4により導通状態が制御される。   The switch element SW24 as an external connection switch element is connected between the node ND23 which is the first holding node of the signal holding unit 212C and the node ND80 connected to the input / output terminal TI / O, and is turned on by the control signal sw4. The state is controlled.

外部キャパシタCextは、容量が10μF程度に設定される。
この外部キャパシタCextは、オンチップ化しても良い。たとえば第1の基板110Cに形成してもよい。これにより、第1の基板110Cの空き領域の有効利用を図ることができる。
The external capacitor Cext has a capacitance set to about 10 μF.
The external capacitor Cext may be on-chip. For example, it may be formed on the first substrate 110C. Thereby, it is possible to effectively use the empty area of the first substrate 110C.

<外部キャパシタCextの容量の算出例>
CS=10fF、
N=2M pixel、
Ctot = 2*CS*N = 40nF、
とすると、
次式を満たすようにCextを決定する(リプルを1/100に抑えるため)。
Cext > 100*Ctot
<Example of Calculation of Capacity of External Capacitor Cext>
CS = 10 fF,
N = 2M pixel,
Ctot = 2 * CS * N = 40 nF,
Then,
Cext is determined so as to satisfy the following equation (in order to suppress ripple to 1/100).
Cext> 100 * Ctot

オーバチャージレギュレート回路810は、電流クランプ回路811、ヒステリシス比較器812、ローパスフィルタ(LPF)813を用いて、リプルを抑えて且つ低消費電力で電圧をレギュレートする。
別グランド(GNDCR)に電荷を流して回路に影響を与えないディスチャージ経路を作り、電荷転送時の電源ノイズを抑える。
The overcharge regulation circuit 810 uses a current clamp circuit 811, a hysteresis comparator 812, and a low-pass filter (LPF) 813 to suppress voltage ripple and regulate voltage with low power consumption.
A discharge path that does not affect the circuit by flowing a charge to another ground (GNDCR) is created to suppress power supply noise during charge transfer.

<ヒステリシス比較器812の参照電圧VREFの設定値>
ヒステリシス比較器812の参照電圧VREFは信号保持キャパシタCSの電荷をほぼ全て転送できるように低い電圧に設定する(たとえば〜0.5V)。
低すぎると大きな容量が必要となる。
高すぎるとリサイクル可能な電荷量が減少する。
よって、再利用するときの電圧を考慮し、0.5V程度が良い。
<Set value of reference voltage VREF of hysteresis comparator 812>
The reference voltage VREF of the hysteresis comparator 812 is set to a low voltage (for example, ˜0.5 V) so that almost all of the charge of the signal holding capacitor CS can be transferred.
If it is too low, a large capacity is required.
If it is too high, the amount of charge that can be recycled decreases.
Therefore, considering the voltage when reusing, about 0.5V is good.

レギュレータ820は、低電圧から高電圧にブーストするブースト回路821とLDOレギュレータ822をオンチップ化して構成されている。
レギュレータ830は、低電圧から高電圧にブーストするブースト回路831とLDOレギュレータ832をオンチップ化して構成されている。
The regulator 820 is configured by on-chip a boost circuit 821 that boosts from a low voltage to a high voltage and an LDO regulator 822.
The regulator 830 is configured by on-chip a boost circuit 831 for boosting from a low voltage to a high voltage and an LDO regulator 832.

レギュレータ820,830は、ブースト回路821,831で0.5V -> 1.2V (DVDD), もしくは1.8V(DVDDIO)に昇圧し、主にデジタル回路(垂直走査回路(Row Decoder)30を含む)の電源電圧を生成する。
なお、レギュレータは何個でもよい。
The regulators 820 and 830 are boosted to 0.5 V-> 1.2 V (DVDD) or 1.8 V (DVDDIO) by the boost circuits 821, 831, and mainly include a digital circuit (vertical scanning circuit (Row Decoder) 30). ) Power supply voltage.
Any number of regulators may be used.

電荷再生システム80においては、外部の大きな容量の外部キャパシタCextに全第1の画素21の信号保持部212Cの信号保持キャパシタ(サンプリング容量)CS21、CS22に溜まった電荷を転送し、自チップのデジタル回路の電源として再利用する。
第1の画素21の信号保持部212Cは、サンプリング回路は最終的にはきれいなグランド(GNDPIX)で残差電荷をリセットしてからいわゆるグローバルサンプリング動作を行う。
In the charge regeneration system 80, the charges accumulated in the signal holding capacitors (sampling capacitors) CS21 and CS22 of the signal holding units 212C of all the first pixels 21 are transferred to an external capacitor Cext having a large external capacity, and the digital of the own chip is transferred. Reuse as circuit power.
The signal holding unit 212C of the first pixel 21 performs a so-called global sampling operation after the sampling circuit finally resets the residual charge with a clean ground (GNDPIX).

図12(A)〜図12(J)は、本発明の第4の実施形態に係る電荷再生システムの動作を説明するための図である。   FIGS. 12A to 12J are diagrams for explaining the operation of the charge regeneration system according to the fourth embodiment of the present invention.

図12(A)は第1の画素21の光電変換読み出し部211のリセットトランジスタRST1−Trの制御信号RSTを示している。図12(B)は第1の画素21の光電変換読み出し部211の転送トランジスタTG1−Trの制御信号TGを示している。
図12(C)は第1の画素21の信号保持部212Cの第1のスイッチ素子SW21の制御信号sw1を示している。図12(D)は第1の画素21の信号保持部212Cの第2のスイッチ素子SW22の制御信号sw2(SHRT)を示している。図12(E)は第1の画素21の信号保持部212Cの第3のスイッチ素子SW23の制御信号sw3を示している。図12(F)は第1の画素21の信号保持部212Cの外部接続スイッチ素子としてのスイッチ素子SW24の制御信号sw4を示している。図12(G)は第1の画素21の信号保持部212Cのスイッチ素子SW25の制御信号sw5(SEL3)を示している。
図12(H)は第1の画素21の光電変換読み出し部211のフローティングディフュージョンFD21の電位Vfdを示している。図12(I)は第1の画素21の信号保持部212CのノードND23の電位Vxを示している。図12(J)は電荷再生システム80のノードND80の電位Vyを示している。
FIG. 12A shows the control signal RST of the reset transistors RST 1 -Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21. FIG. 12B shows a control signal TG for the transfer transistors TG 1 -Tr of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21.
FIG. 12C shows the control signal sw1 of the first switch element SW21 of the signal holding unit 212C of the first pixel 21. FIG. 12D shows the control signal sw2 (SHRT) of the second switch element SW22 of the signal holding unit 212C of the first pixel 21. FIG. 12E shows the control signal sw3 of the third switch element SW23 of the signal holding unit 212C of the first pixel 21. FIG. 12F shows the control signal sw4 of the switch element SW24 as the external connection switch element of the signal holding unit 212C of the first pixel 21. FIG. 12G shows the control signal sw5 (SEL3) of the switch element SW25 of the signal holding unit 212C of the first pixel 21.
FIG. 12H shows the potential Vfd of the floating diffusion FD21 of the photoelectric conversion readout unit 211 of the first pixel 21. FIG. 12I shows the potential Vx of the node ND23 of the signal holding unit 212C of the first pixel 21. FIG. 12J shows the potential Vy of the node ND80 of the charge regeneration system 80.

図12(A)〜図12(J)において、t21はグローバルサンプリング期間の開始時刻を示している。
時刻t21において、制御信号RSTがHレベルに設定されてリセットトランジスタRST1−Trが導通状態となる。これにより、フローティングディフュージョンFD21が電源線Vddの電位にリセットされる。
また、制御信号sw2がHレベルに設定されてスイッチ素子SW22が導通状態(オン状態)になり、第1の信号保持キャパシタCS21と第2の信号保持キャパシタCS22が短絡(接続)される。これと並行して、制御信号sw3がHレベルに設定されてスイッチ素子SW23が導通状態(オン状態)になる。これにより、第1の信号保持キャパシタCS21と第2の信号保持キャパシタCS22がグランドGNDPIXに接続されて、残差電荷が除去される。
12A to 12J, t21 indicates the start time of the global sampling period.
At time t21, the control signal RST is set to H level, and the reset transistors RST1-Tr are turned on. As a result, the floating diffusion FD21 is reset to the potential of the power supply line Vdd.
Further, the control signal sw2 is set to H level, the switch element SW22 is turned on (on state), and the first signal holding capacitor CS21 and the second signal holding capacitor CS22 are short-circuited (connected). In parallel with this, the control signal sw3 is set to H level, and the switch element SW23 is turned on (on state). As a result, the first signal holding capacitor CS21 and the second signal holding capacitor CS22 are connected to the ground GNDPIX, and the residual charge is removed.

図12(A)〜図12(J)において、t22はリセット電圧VRSTのサンプリング開始時刻を示している。
時刻t22において、制御信号sw1がHレベルに設定されてスイッチ素子SW21が導通状態(オン状態)になり、第1の画素21の第1の基板110C側の光電変換読み出し部211の出力ノードND21と、第2の基板120C側の信号保持部212Cのサンプルホールド部のノードND23が接続される。
そして、第1の信号保持キャパシタCS21と第2の信号保持キャパシタCS22が、負荷容量と動的な第1の画素アンプ駆動電流源となり、ノードND23の電位VxがVRSTまで上昇する。
その後、制御信号sw2がLレベルに設定されてスイッチ素子SW22が非導通状態(オフ状態)となり、信号保持キャパシタCS22にリセット電圧VRSTがサンプリングされる。
12A to 12J, t22 indicates the sampling start time of the reset voltage VRST.
At time t22, the control signal sw1 is set to the H level, the switch element SW21 is turned on (on state), and the output node ND21 of the photoelectric conversion readout unit 211 on the first substrate 110C side of the first pixel 21 The node ND23 of the sample hold unit of the signal hold unit 212C on the second substrate 120C side is connected.
Then, the first signal holding capacitor CS21 and the second signal holding capacitor CS22 serve as a load capacitor and a dynamic first pixel amplifier driving current source, and the potential Vx of the node ND23 rises to VRST.
Thereafter, the control signal sw2 is set to L level, the switch element SW22 is turned off (off state), and the reset voltage VRST is sampled in the signal holding capacitor CS22.

図12(A)〜図12(J)において、t23は1回目の電荷リサイクル開始時刻を示している。
時刻t23において、制御信号sw4がHレベルに設定されてスイッチ素子SW24が導通状態(オン状態)になり、信号保持キャパシタCS21が外部キャパシタCextに接続され、電荷転送が行われる。
その結果、信号保持部212CのノードND23の電位VxがVREFとなる。
12A to 12J, t23 indicates the first charge recycling start time.
At time t23, the control signal sw4 is set to H level, the switch element SW24 is turned on (on state), the signal holding capacitor CS21 is connected to the external capacitor Cext, and charge transfer is performed.
As a result, the potential Vx of the node ND23 of the signal holding unit 212C becomes VREF.

図12(A)〜図12(J)において、t24は信号電圧VSIGのサンプリング準備期間を示している。
時刻t24において、制御信号sw3がHレベルに設定されてスイッチ素子SW23が導通状態(オン状態)になる。これにより、信号保持キャパシタCS21がグランドGNDPIXに接続されて、残差電荷が除去される。
12A to 12J, t24 indicates the sampling preparation period of the signal voltage VSIG.
At time t24, the control signal sw3 is set to H level, and the switch element SW23 is turned on (on state). As a result, the signal holding capacitor CS21 is connected to the ground GNDPIX, and the residual charge is removed.

図12(A)〜図12(J)において、t25は光信号電荷転送期間を示している。
時刻t25において、制御信号TGがHレベルに設定されて転送トランジスタTG1−Trが導通状態となり、フォトダイオードPD21で光電変換され蓄積された光電荷(電子)がフローティングディフュージョンFD21に転送される。
その結果、フローティングディフュージョンFD21の電圧Vfdが電荷量に比例して低下する。
12A to 12J, t25 indicates the optical signal charge transfer period.
At time t25, the control signal TG is set to H level, the transfer transistors TG1-Tr are turned on, and the photoelectric charges (electrons) photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PD21 are transferred to the floating diffusion FD21.
As a result, the voltage Vfd of the floating diffusion FD21 decreases in proportion to the amount of charge.

図12(A)〜図12(J)において、t26は光信号電圧VSIGサンプリング期間の開始時刻を示している。
時刻t26において、制御信号sw1がHレベルに設定されてスイッチ素子SW21が導通状態(オン状態)になり、第1の画素21の第1の基板110C側の光電変換読み出し部211の出力ノードND21と、第2の基板120C側の信号保持部212Cのサンプルホールド部のノードND23が再度接続される。
その結果、ノードND23の電位VxがVSIGまで上昇する。
12A to 12J, t26 indicates the start time of the optical signal voltage VSIG sampling period.
At time t26, the control signal sw1 is set to H level, the switch element SW21 is turned on (on state), and the output node ND21 of the photoelectric conversion readout unit 211 on the first substrate 110C side of the first pixel 21 The node ND23 of the sample holding unit of the signal holding unit 212C on the second substrate 120C side is connected again.
As a result, the potential Vx of the node ND23 rises to VSIG.

図12(A)〜図12(J)において、t27は読み出し期間開始時刻を示している。
時刻t27において、制御信号sw5はHレベルに設定されてスイッチ素子SW25が導通状態(オン状態)になり、信号保持部212Cの出力部と第2の垂直信号線LSGN12が接続される。
その結果、信号保持キャパシタCS22にサンプリングされた電圧に比例した電圧が第2の垂直信号線LSGN12に現れる。
12A to 12J, t27 indicates the readout period start time.
At time t27, the control signal sw5 is set to the H level, the switch element SW25 is turned on (on state), and the output unit of the signal holding unit 212C and the second vertical signal line LSGN12 are connected.
As a result, a voltage proportional to the voltage sampled in the signal holding capacitor CS22 appears on the second vertical signal line LSGN12.

図12(A)〜図12(J)において、t28はサンプリングされた光信号読み出し開始時刻を示している。
時刻t28において、制御信号sw2がHレベルに設定されてスイッチ素子SW22が導通状態(オン状態)になり、第1の信号保持キャパシタCS21と第2の信号保持キャパシタCS22が短絡(接続)される。
その結果、前記したように信号保持キャパシタCS21とCS22における各々のサンプリング電圧と容量値(通常は両者は同じ値に設計する)に応じて、ノードND23の電位Vxが変化する。制御信号sw5はHレベルであるため、ノードND23の電位Vxに比例した電圧が第2の垂直信号線LSGN12に現れる。
12A to 12J, t28 indicates the sampled optical signal readout start time.
At time t28, the control signal sw2 is set to H level, the switch element SW22 is turned on (on state), and the first signal holding capacitor CS21 and the second signal holding capacitor CS22 are short-circuited (connected).
As a result, as described above, the potential Vx of the node ND23 changes according to the sampling voltage and the capacitance value of the signal holding capacitors CS21 and CS22 (normally, both are designed to have the same value). Since the control signal sw5 is at the H level, a voltage proportional to the potential Vx of the node ND23 appears on the second vertical signal line LSGN12.

図12(A)〜図12(J)において、t29は2回目の電荷リサイクル開始時刻を示している。
時刻t29において、制御信号sw2がHレベルの状態で、制御信号sw4がHレベルに設定されてスイッチ素子SW24が導通状態(オン状態)になり、信号保持キャパシタCS21とCS22が外部容量Cextと接続される。
その結果、読み出し動作のために使用され、信号保持キャパシタCS21とCS22に蓄積されていた電荷が外部容量Cextに転送され、再利用するための電荷となる。
また、ノードND23の電位VxはVREFとなる。
12A to 12J, t29 indicates the second charge recycle start time.
At time t29, the control signal sw2 is at the H level, the control signal sw4 is set to the H level, the switch element SW24 is turned on (on state), and the signal holding capacitors CS21 and CS22 are connected to the external capacitor Cext. The
As a result, the charges used for the read operation and accumulated in the signal holding capacitors CS21 and CS22 are transferred to the external capacitor Cext and become charges for reuse.
Further, the potential Vx of the node ND23 is VREF.

以上のように、本電荷再生システム80は、外部の大きな容量の外部キャパシタCextに全第1の画素21の信号保持部212Cの信号保持キャパシタ(サンプリング容量)CS21、CS22に溜まった電荷を転送し、自チップのデジタル回路の電源として再利用する。
これにより、チップの消費電力を低減することができる。
As described above, the charge regeneration system 80 transfers the charge accumulated in the signal holding capacitors (sampling capacitors) CS21 and CS22 of the signal holding units 212C of all the first pixels 21 to the external capacitor Cext having a large external capacity. Reuse it as a power source for its own chip digital circuit.
Thereby, the power consumption of the chip can be reduced.

以上説明した固体撮像装置10は、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。   The solid-state imaging device 10 described above can be applied as an imaging device to an electronic apparatus such as a digital camera, a video camera, a portable terminal, a monitoring camera, or a medical endoscope camera.

図13は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。   FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the configuration of an electronic apparatus equipped with a camera system to which the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention is applied.

本電子機器300は、図13に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置10が適用可能なCMOSイメージセンサ310を有する。
さらに、電子機器300は、このCMOSイメージセンサ310の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)320を有する。
電子機器300は、CMOSイメージセンサ310の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)330を有する。
As shown in FIG. 13, the electronic apparatus 300 includes a CMOS image sensor 310 to which the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment can be applied.
Furthermore, the electronic apparatus 300 includes an optical system (lens or the like) 320 that guides incident light (forms a subject image) to the pixel region of the CMOS image sensor 310.
The electronic device 300 includes a signal processing circuit (PRC) 330 that processes an output signal of the CMOS image sensor 310.

信号処理回路330は、CMOSイメージセンサ310の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路330で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
The signal processing circuit 330 performs predetermined signal processing on the output signal of the CMOS image sensor 310.
The image signal processed by the signal processing circuit 330 can be displayed as a moving image on a monitor composed of a liquid crystal display or the like, or output to a printer, or directly recorded on a recording medium such as a memory card. Is possible.

上述したように、CMOSイメージセンサ310として、前述した固体撮像装置10を搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
As described above, by mounting the above-described solid-state imaging device 10 as the CMOS image sensor 310, it is possible to provide a high performance, small size, and low cost camera system.
Electronic devices such as surveillance cameras and medical endoscope cameras are used for applications where the camera installation requirements include restrictions such as mounting size, number of connectable cables, cable length, and installation height. Can be realized.

10・・・固体撮像装置、20・・・画素部、PD21,PD22・・・フォトダイオード、TG1−Tr、TG2−Tr・・・転送トランジスタ、RST1−Tr,RST2−Tr・・・リセットトランジスタ、SF1−Tr,SF2−Tr,SF3−Tr・・・ソースフォロワトランジスタ、SEL1−Tr,SEL2−Tr,SEL3−Tr・・・選択トランジスタ、FD21,FD22・・・フローティングディフュージョン、21・・・第1の画素、211・・・光電変換読み出し部、212・・・信号保持部、22・・・第2の画素、221・・・光電変換読み出し部、30・・・垂直走査回路、40・・・読み出し回路(カラム読み出し回路)、50・・・水平走査回路、60・・・タイミング制御回路、70・・・読み出し部、80・・・電荷再生システム、Cext・・・外部キャパシタ、SW24・・・スイッチ素子、810・・・オーバチャージレギュレート回路、820,830・・・レギュレータ、300・・・電子機器、210・・・CMOSイメージセンサ、320・・・光学系、330・・・信号処理回路(PRC)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Solid-state imaging device, 20 ... Pixel part, PD21, PD22 ... Photodiode, TG1-Tr, TG2-Tr ... Transfer transistor, RST1-Tr, RST2-Tr ... Reset transistor, SF1-Tr, SF2-Tr, SF3-Tr ... source follower transistor, SEL1-Tr, SEL2-Tr, SEL3-Tr ... selection transistor, FD21, FD22 ... floating diffusion, 21 ... first , 211... Photoelectric conversion readout unit, 212... Signal holding unit, 22... Second pixel, 221... Photoelectric conversion readout unit, 30. Read circuit (column read circuit), 50... Horizontal scanning circuit, 60... Timing control circuit, 70. 80 ... Charge regeneration system, Cext ... External capacitor, SW24 ... Switch element, 810 ... Overcharge regulation circuit, 820,830 ... Regulator, 300 ... Electronic equipment, 210. ..CMOS image sensor 320 ... optical system 330 ... signal processing circuit (PRC)

Claims (20)

光電変換読み出し部および信号保持部を含む第1の画素と前記光電変換読み出し部を含む第2の画素のうち、少なくとも前記第1画素が配置された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
前記光電変換読み出し部の読み出し信号が出力される第1の信号線と、
前記信号保持部の保持信号が出力される第2の信号線と、を有し、
少なくとも前記第1の画素の前記光電変換読み出し部は、
出力ノードと、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記出力ノードに出力するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、
第1の期間に前記出力ノードを前記第1の信号線と電気的に接続する選択素子と、を含み、
前記信号保持部は、
前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な信号保持キャパシタと、
第2の期間に前記信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の出力ノードと選択的に接続するスイッチ素子と、
前記第2の期間に前記信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に前記第2の信号線に出力する出力部と、を含む
固体撮像装置。
Of a first pixel including a photoelectric conversion readout unit and a signal holding unit and a second pixel including the photoelectric conversion readout unit, a pixel unit in which at least the first pixel is disposed;
A readout unit that reads out a pixel signal from the pixel unit;
A first signal line from which a readout signal of the photoelectric conversion readout unit is output;
A second signal line from which a holding signal of the signal holding unit is output,
At least the photoelectric conversion readout unit of the first pixel is
An output node;
A photoelectric conversion element for accumulating charges generated by photoelectric conversion during the accumulation period;
A transfer element capable of transferring charges accumulated in the photoelectric conversion element during a transfer period;
Floating diffusion to which the charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element;
A source follower element that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to a charge amount, and outputs the converted signal to the output node;
A reset element for resetting the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period;
A selection element that electrically connects the output node to the first signal line in a first period;
The signal holding unit is
A signal holding capacitor capable of holding a signal output from an output node of the photoelectric conversion readout unit of the first pixel;
A switch element that selectively connects the signal holding capacitor to an output node of the photoelectric conversion readout unit in a second period;
An output unit that includes a source follower element that outputs a signal held in the signal holding capacitor in the second period according to a holding voltage, and selectively outputs the converted signal to the second signal line; Includes solid-state imaging device.
前記画素部は、少なくとも、
複数の前記第1の画素の前記光電変換読み出し部が行列状に配置された第1の画素アレイと、
前記複数の前記第1の画素の前記信号保持部が行列状に配置された保持部アレイと、を含む
請求項1記載の固体撮像装置。
The pixel unit is at least
A first pixel array in which the photoelectric conversion readout sections of the plurality of first pixels are arranged in a matrix;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a holding unit array in which the signal holding units of the plurality of first pixels are arranged in a matrix.
前記画素部は、
複数の前記第2の画素の前記光電変換読み出し部が行列状に配置された第2の画素アレイを有し、
前記第2の画素の前記光電変換読み出し部は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、
第1の期間に前記ソースフォロワ素子による電圧信号の出力ラインを前記第1の信号線と電気的に接続する選択素子と、を含む
請求項2記載の固体撮像装置。
The pixel portion is
The photoelectric conversion readout unit of the plurality of second pixels has a second pixel array arranged in a matrix,
The photoelectric conversion readout unit of the second pixel is
A photoelectric conversion element for accumulating charges generated by photoelectric conversion during the accumulation period;
A transfer element capable of transferring charges accumulated in the photoelectric conversion element during a transfer period;
Floating diffusion to which the charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element;
A source follower element that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to the amount of charge;
A reset element for resetting the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period;
The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising: a selection element that electrically connects an output line of a voltage signal from the source follower element to the first signal line in a first period.
前記第2の画素アレイは、
少なくとも前記第1の画素アレイの前記第1の信号線の配線方向の両側のうち少なくとも一方側に配置されている
請求項3記載の固体撮像装置。
The second pixel array is:
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the solid-state imaging device is disposed on at least one side of at least both sides of the first signal line in the wiring direction of the first pixel array.
前記第2の画素アレイは、
前記第1の画素アレイの前記第1の信号線の配線方向に直交する方向の両側のうち少なくとも一方側に配置されている
請求項3または4記載の固体撮像装置。
The second pixel array is:
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the solid-state imaging device is disposed on at least one side of both sides of the first pixel array in a direction orthogonal to a wiring direction of the first signal line.
前記読み出し部は、
第1の動作時には、前記第1の画素の前記第1の画素アレイおよび前記第2の画素の前記第2の画素アレイをアクティブにして画素信号の読み出しを行う
請求項3から5のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The reading unit
6. The pixel signal is read out by activating the first pixel array of the first pixel and the second pixel array of the second pixel during a first operation. 7. The solid-state imaging device described in 1.
前記読み出し部は、
第2の動作時には、前記第1の画素および前記第2の画素の前記光電変換読み出し部における前記選択素子を非選択状態とした状態で、前記第1の画素の前記第1の画素アレイおよび前記保持部アレイをアクティブにして画素信号の読み出しを行う
請求項3から5のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The reading unit
In the second operation, the first pixel array of the first pixel and the first pixel array in the state where the selection element in the photoelectric conversion readout unit of the first pixel and the second pixel is in a non-selected state The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the pixel signal is read by activating the holding unit array.
前記読み出し部は、
第1の動作時には、前記第1の画素の前記第1の画素アレイおよび前記第2の画素の前記第2の画素アレイをアクティブにして画素信号の読み出しを行い、
第2の動作時には、前記第1の画素および前記第2の画素の前記光電変換読み出し部における前記選択素子を非選択状態とした状態で、前記第1の画素の前記第1の画素アレイおよび前記保持部アレイをアクティブにして画素信号の読み出しを行う
請求項3から5のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The reading unit
During the first operation, the first pixel array of the first pixel and the second pixel array of the second pixel are activated to read out pixel signals,
In the second operation, the first pixel array of the first pixel and the first pixel array in the state where the selection element in the photoelectric conversion readout unit of the first pixel and the second pixel is in a non-selected state The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the pixel signal is read by activating the holding unit array.
前記読み出し部は、
前記第2の動作時には、前記第1の画素アレイにおいて形成可能な任意のアスペクト比の画像を出力可能であり、
前記第1の動作時には、前記第1の画素アレイと前記第2の画素アレイにより形成される合成画素アレイにおいて形成可能な任意のアスペクト比の画像を出力可能である
請求項8記載の固体撮像装置。
The reading unit
During the second operation, an image having an arbitrary aspect ratio that can be formed in the first pixel array can be output.
9. The solid-state imaging device according to claim 8, wherein an image having an arbitrary aspect ratio that can be formed in a composite pixel array formed by the first pixel array and the second pixel array can be output during the first operation. .
前記第1の画素の前記光電変換読み出し部から読み出される前記画素信号は、少なくとも、リセット読み出し信号および読み出し信号を含み、
前記信号保持部は、
第1の保持ノードと、
第2の保持ノードと、
前記第1の保持ノードに接続され、前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な第1の前記信号保持キャパシタと、
前記第2の保持ノードに接続され、前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な第2の前記信号保持キャパシタと、
第2の期間に前記第1の信号保持キャパシタが接続された前記第1の保持ノードを前記光電変換読み出し部の出力ノードと選択的に接続する第1の前記スイッチ素子と、
前記第2の期間に前記第1の保持ノードと前記第2の保持ノードを選択的に接続する第2のスイッチ素子と、
前記第2の期間に、前記第1の保持ノードおよび前記第2の保持ノードのうち少なくとも前記第2の保持ノードに接続された前記第2の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に前記第2の信号線に出力する出力部と、を含む
請求項1から9のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The pixel signal read from the photoelectric conversion readout unit of the first pixel includes at least a reset readout signal and a readout signal,
The signal holding unit is
A first holding node;
A second holding node;
A first signal holding capacitor connected to the first holding node and capable of holding a signal output from an output node of the photoelectric conversion readout unit of the first pixel;
A second signal holding capacitor connected to the second holding node and capable of holding a signal output from an output node of the photoelectric conversion readout unit of the first pixel;
A first switching element that selectively connects the first holding node to which the first signal holding capacitor is connected in a second period to an output node of the photoelectric conversion readout unit;
A second switch element that selectively connects the first holding node and the second holding node in the second period;
In the second period, a signal held in the second signal holding capacitor connected to at least the second holding node among the first holding node and the second holding node is set according to a holding voltage. 10. A solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: an output unit that selectively outputs a converted signal to the second signal line.
前記読み出し部は、
前記第1の画素の前記光電変換読み出し部から前記画素信号として、前記リセット読み出し信号を読み出し、続いて前記読み出し信号を読み出し、
前記画素信号として前記リセット読み出し信号を読み出すときは、前記信号保持部の前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子を所定期間導通させて当該読み出しリセット信号を前記第2の信号保持キャパシタに保持させ、前記第2のスイッチ素子を非導通状態とし、
前記画素信号として前記読み出し信号を読み出すときは、前記信号保持部の前記第2のスイッチ素子を非導通状態に保持して、前記第1のスイッチ素子を導通させて当該読み出し信号を前記第1の信号保持キャパシタに保持させ、前記第1のスイッチ素子を非導通状態とし、
前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子が非導通状態に保持された状態で、前記第2の信号保持キャパシタに保持されたリセット読み出し信号に対応する変換信号を前記第2の信号線に出力し、
前記第1のスイッチ素子が非導通状態に保持され前記第2のスイッチ素子が導通状態に保持された状態で、前記第2の信号保持キャパシタに保持されたリセット読み出し信号および前記第1の信号保持キャパシタに保持された読み出し信号の合成信号に対応する変換信号を前記第2の信号線に出力する
請求項10記載の固体撮像装置。
The reading unit
Read the reset read signal as the pixel signal from the photoelectric conversion read unit of the first pixel, and then read the read signal,
When the reset read signal is read as the pixel signal, the first switch element and the second switch element of the signal holding unit are turned on for a predetermined period, and the read reset signal is supplied to the second signal holding capacitor. Holding the second switch element in a non-conductive state;
When reading the readout signal as the pixel signal, the second switch element of the signal holding unit is held in a non-conductive state, the first switch element is made conductive, and the read signal is sent to the first signal. Holding the first switch element in a non-conductive state by holding the signal holding capacitor;
In a state where the first switch element and the second switch element are held in a non-conductive state, a conversion signal corresponding to a reset read signal held in the second signal holding capacitor is sent to the second signal line. Output to
The reset read signal and the first signal held in the second signal holding capacitor in a state where the first switch element is held in a non-conductive state and the second switch element is held in a conductive state. The solid-state imaging device according to claim 10, wherein a conversion signal corresponding to a combined signal of the readout signals held in the capacitor is output to the second signal line.
第1の基板と、
第2の基板と、を含み、
前記第1の基板と前記第2の基板は接続部を通して接続された積層構造を有し、
前記第1の基板には、
少なくとも、前記第1の画素の前記光電変換読み出し部、および前記第1の信号線が形成され、
前記第2の基板には、
少なくとも、前記第1の画素の前記信号保持部、前記第2の信号線、および前記読み出し部の少なくとも一部が形成されている
請求項1から11のいずれか一に記載の固体撮像装置。
A first substrate;
A second substrate,
The first substrate and the second substrate have a laminated structure connected through a connection portion,
The first substrate includes
At least the photoelectric conversion readout unit of the first pixel and the first signal line are formed,
The second substrate includes
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein at least a part of the signal holding unit, the second signal line, and the reading unit of the first pixel is formed.
第1の基板と、
第2の基板と、を含み、
前記第1の基板と前記第2の基板は接続部を通して接続された積層構造を有し、
前記第1の基板には、
少なくとも、前記第1の画素アレイ、前記第2の画素アレイ、前記第1の信号線、および前記読み出し部の一部が形成され、
前記第2の基板には、
少なくとも、前記第1の画素の前記信号保持部、前記第2の信号線、および前記読み出し部の少なくとも一部が形成されている
請求項1から11のいずれか一に記載の固体撮像装置。
A first substrate;
A second substrate,
The first substrate and the second substrate have a laminated structure connected through a connection portion,
The first substrate includes
At least a part of the first pixel array, the second pixel array, the first signal line, and the readout unit is formed,
The second substrate includes
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein at least a part of the signal holding unit, the second signal line, and the reading unit of the first pixel is formed.
複数の前記第1の画素の前記信号保持部の前記信号保持キャパシタに保持された電荷を外部キャパシタに転送し、自チップのデジタル回路の電源として再利用する電荷再利用部を含む
請求項1から13のいずれか一に記載の固体撮像装置。
2. A charge recycling unit that transfers charges held in the signal holding capacitors of the signal holding units of the plurality of first pixels to an external capacitor and reuses them as a power source for a digital circuit of the chip. The solid-state imaging device according to any one of 13.
前記電荷再利用部は、
複数の前記第1の画素の前記信号保持部の前記信号保持キャパシタに保持された電荷を蓄積可能な前記外部キャパシタと、
前記外部キャパシタに保持された電荷を用いて生成した処理用電力を処理系回路に供給可能な電源回路部と、を含む
請求項14記載の固体撮像装置。
The charge recycling unit includes:
The external capacitor capable of storing the charge held in the signal holding capacitor of the signal holding unit of the plurality of first pixels;
The solid-state imaging device according to claim 14, further comprising: a power supply circuit unit capable of supplying processing power generated using the electric charge held in the external capacitor to a processing system circuit.
前記第1の画素の前記光電変換読み出し部から読み出される前記画素信号は、少なくとも、リセット読み出し信号および読み出し信号を含み、
前記信号保持部は、
第1の保持ノードと、
第2の保持ノードと、
前記第1の保持ノードに接続され、前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な第1の前記信号保持キャパシタと、
前記第2の保持ノードに接続され、前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な第2の前記信号保持キャパシタと、
第2の期間に前記第1の信号保持キャパシタが接続された前記第1の保持ノードを前記光電変換読み出し部の出力ノードと選択的に接続する第1の前記スイッチ素子と、
前記第2の期間に前記第1の保持ノードと前記第2の保持ノードを選択的に接続する第2のスイッチ素子と、
電荷リサイクル期間に、前記第1の保持ノードを前記外部キャパシタと接続する外部接続スイッチ素子と、
前記第2の期間に、前記第1の保持ノードおよび前記第2の保持ノードのうち少なくとも前記第2の保持ノードに接続された前記第2の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に前記第2の信号線に出力する出力部と、を含む
請求項15記載の固体撮像装置。
The pixel signal read from the photoelectric conversion readout unit of the first pixel includes at least a reset readout signal and a readout signal,
The signal holding unit is
A first holding node;
A second holding node;
A first signal holding capacitor connected to the first holding node and capable of holding a signal output from an output node of the photoelectric conversion readout unit of the first pixel;
A second signal holding capacitor connected to the second holding node and capable of holding a signal output from an output node of the photoelectric conversion readout unit of the first pixel;
A first switching element that selectively connects the first holding node to which the first signal holding capacitor is connected in a second period to an output node of the photoelectric conversion readout unit;
A second switch element that selectively connects the first holding node and the second holding node in the second period;
An external connection switching element for connecting the first holding node to the external capacitor during a charge recycling period;
In the second period, a signal held in the second signal holding capacitor connected to at least the second holding node among the first holding node and the second holding node is set according to a holding voltage. The solid-state imaging device according to claim 15, further comprising: an output unit that includes a source follower element that outputs the converted signal and selectively outputs the converted signal to the second signal line.
前記読み出し部は、
前記第1の画素の前記光電変換読み出し部から前記画素信号として、前記リセット読み出し信号を読み出し、続いて前記読み出し信号を読み出し、
前記画素信号として前記リセット読み出し信号を読み出すときは、前記信号保持部の前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子を所定期間導通させて当該読み出しリセット信号を前記第2の信号保持キャパシタに保持させ、前記第2のスイッチ素子および前記第1のスイッチ素子を非導通状態とし、
前記外部接続スイッチ素子を所定期間導通状態として、前記第1の信号保持キャパシタの電荷を前記外部キャパシタに転送して1回目の電荷リサイクルを行い、
前記画素信号として前記読み出し信号を読み出すときは、前記信号保持部の前記第2のスイッチ素子を非導通状態に保持して、前記第1のスイッチ素子を導通させて当該読み出し信号を前記第1の信号保持キャパシタに保持させ、前記第1のスイッチ素子を非導通状態とし、
前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子が非導通状態に保持された状態で、前記第2の信号保持キャパシタに保持されたリセット読み出し信号に対応する変換信号を前記第2の信号線に出力し、
前記第1のスイッチ素子が非導通状態に保持され前記第2のスイッチ素子が導通状態に保持された状態で、前記第2の信号保持キャパシタに保持されたリセット読み出し信号および前記第1の信号保持キャパシタに保持された読み出し信号の合成信号に対応する変換信号を前記第2の信号線に出力し、
前記第1のスイッチ素子が非導通状態に保持され前記第2のスイッチ素子が導通状態に保持された状態で、前記外部接続スイッチ素子を所定期間導通状態として、前記第1の信号保持キャパシタおよび前記第2の信号保持キャパシタの電荷を前記外部キャパシタに転送して2回目の電荷リサイクルを行う
請求項16記載の固体撮像装置。
The reading unit
Read the reset read signal as the pixel signal from the photoelectric conversion read unit of the first pixel, and then read the read signal,
When the reset read signal is read as the pixel signal, the first switch element and the second switch element of the signal holding unit are turned on for a predetermined period, and the read reset signal is supplied to the second signal holding capacitor. Holding the second switch element and the first switch element in a non-conductive state;
The external connection switch element is turned on for a predetermined period, the charge of the first signal holding capacitor is transferred to the external capacitor, and a first charge recycling is performed.
When reading the readout signal as the pixel signal, the second switch element of the signal holding unit is held in a non-conductive state, the first switch element is made conductive, and the read signal is sent to the first signal. Holding the first switch element in a non-conductive state by holding the signal holding capacitor;
In a state where the first switch element and the second switch element are held in a non-conductive state, a conversion signal corresponding to a reset read signal held in the second signal holding capacitor is sent to the second signal line. Output to
The reset read signal and the first signal held in the second signal holding capacitor in a state where the first switch element is held in a non-conductive state and the second switch element is held in a conductive state. A conversion signal corresponding to a composite signal of the read signal held in the capacitor is output to the second signal line;
With the first switch element held in a non-conductive state and the second switch element held in a conductive state, the external connection switch element is turned on for a predetermined period, and the first signal holding capacitor and the The solid-state imaging device according to claim 16, wherein the charge of the second signal holding capacitor is transferred to the external capacitor and second charge recycling is performed.
前記信号保持部は、
前記第2の期間に前記第1の保持ノードと所定の基準電位を選択的に接続する第3のスイッチ素子を含み、
前記読み出し部は、
前記リセット読み出し信号を読み出す前に、前記第2のスイッチ素子および前記第3のスイッチ素子を導通状態に保持して、前記第1の信号保持キャパシタおよび前記第2の信号保持キャパシタの残差電荷を除去し、
前記1回目の電荷リサイクル処理後で前記読み出し信号を読み出す前に、前記第3のスイッチ素子を導通状態に保持して、前記第1の信号保持キャパシタの残差電荷を除去する
請求項17記載の固体撮像装置。
The signal holding unit is
A third switch element that selectively connects the first holding node and a predetermined reference potential in the second period;
The reading unit
Before reading the reset read signal, the second switch element and the third switch element are held in a conductive state, and the residual charges of the first signal holding capacitor and the second signal holding capacitor are reduced. Remove,
18. The residual charge of the first signal holding capacitor is removed by holding the third switch element in a conductive state before reading the read signal after the first charge recycling process. Solid-state imaging device.
光電変換読み出し部および信号保持部を含む第1の画素と前記光電変換読み出し部を含む第2の画素が配置された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
前記光電変換読み出し部の読み出し信号が出力される第1の信号線と、
前記信号保持部の保持信号が出力される第2の信号線と、を有し、
少なくとも前記第1の画素の前記光電変換読み出し部は、
出力ノードと、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記出力ノードに出力するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、
第1の期間に前記出力ノードを前記第1の信号線と電気的に接続する選択素子と、を含み、
前記信号保持部は、
前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な信号保持キャパシタと、
第2の期間に前記信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の出力ノードと選択的に接続するスイッチ素子と、
前記第2の期間に前記信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に前記第2の信号線に出力する出力部と、を含み、
前記画素部は、
複数の前記第1の画素の前記光電変換読み出し部が行列状に配置された第1の画素アレイと、
前記複数の前記第1の画素の前記信号保持部が行列状に配置された保持部アレイと、
複数の前記第2の画素の前記光電変換読み出し部が行列状に配置された第2の画素アレイと、を含む、
固体撮像装置の駆動方法であって、
第1の動作時には、前記第1の画素の前記第1の画素アレイおよび前記第2の画素の前記第2の画素アレイをアクティブにして画素信号の読み出しを行い、
第2の動作時には、前記第1の画素および前記第2の画素の前記光電変換読み出し部における前記選択素子を非選択状態とした状態で、前記第1の画素の前記第1の画素アレイおよび前記保持部アレイをアクティブにして画素信号の読み出しを行う
固体撮像装置の駆動方法。
A pixel unit in which a first pixel including a photoelectric conversion readout unit and a signal holding unit and a second pixel including the photoelectric conversion readout unit are disposed;
A readout unit that reads out a pixel signal from the pixel unit;
A first signal line from which a readout signal of the photoelectric conversion readout unit is output;
A second signal line from which a holding signal of the signal holding unit is output,
At least the photoelectric conversion readout unit of the first pixel is
An output node;
A photoelectric conversion element for accumulating charges generated by photoelectric conversion during the accumulation period;
A transfer element capable of transferring charges accumulated in the photoelectric conversion element during a transfer period;
Floating diffusion to which the charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element;
A source follower element that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to a charge amount, and outputs the converted signal to the output node;
A reset element for resetting the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period;
A selection element that electrically connects the output node to the first signal line in a first period;
The signal holding unit is
A signal holding capacitor capable of holding a signal output from an output node of the photoelectric conversion readout unit of the first pixel;
A switch element that selectively connects the signal holding capacitor to an output node of the photoelectric conversion readout unit in a second period;
An output unit that includes a source follower element that outputs a signal held in the signal holding capacitor in the second period according to a holding voltage, and selectively outputs the converted signal to the second signal line; Including
The pixel portion is
A first pixel array in which the photoelectric conversion readout sections of the plurality of first pixels are arranged in a matrix;
A holding unit array in which the signal holding units of the plurality of first pixels are arranged in a matrix;
A second pixel array in which the photoelectric conversion readout units of the plurality of second pixels are arranged in a matrix,
A method for driving a solid-state imaging device,
During the first operation, the first pixel array of the first pixel and the second pixel array of the second pixel are activated to read out pixel signals,
In the second operation, the first pixel array of the first pixel and the first pixel array in the state where the selection element in the photoelectric conversion readout unit of the first pixel and the second pixel is in a non-selected state A driving method of a solid-state imaging device that reads out pixel signals by activating a holding unit array.
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換読み出し部および信号保持部を含む第1の画素と前記光電変換読み出し部を含む第2の画素のうち、少なくとも前記第1画素が配置された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、
前記光電変換読み出し部の読み出し信号が出力される第1の信号線と、
前記信号保持部の保持信号が出力される第2の信号線と、を有し、
少なくとも前記第1の画素の前記光電変換読み出し部は、
出力ノードと、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送期間に転送可能な転送素子と、
前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送されるフローティングディフュージョンと、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記出力ノードに出力するソースフォロワ素子と、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、
第1の期間に前記出力ノードを前記第1の信号線と電気的に接続する選択素子と、を含み、
前記信号保持部は、
前記第1の画素の前記光電変換読み出し部の出力ノードから出力される信号を保持可能な信号保持キャパシタと、
第2の期間に前記信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の出力ノードと選択的に接続するスイッチ素子と、
前記第2の期間に前記信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に前記第2の信号線に出力する出力部と、を含む
電子機器。
A solid-state imaging device;
An optical system that forms a subject image on the solid-state imaging device,
The solid-state imaging device
Of a first pixel including a photoelectric conversion readout unit and a signal holding unit and a second pixel including the photoelectric conversion readout unit, a pixel unit in which at least the first pixel is disposed;
A readout unit that reads out a pixel signal from the pixel unit;
A first signal line from which a readout signal of the photoelectric conversion readout unit is output;
A second signal line from which a holding signal of the signal holding unit is output,
At least the photoelectric conversion readout unit of the first pixel is
An output node;
A photoelectric conversion element for accumulating charges generated by photoelectric conversion during the accumulation period;
A transfer element capable of transferring charges accumulated in the photoelectric conversion element during a transfer period;
Floating diffusion to which the charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element;
A source follower element that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to a charge amount, and outputs the converted signal to the output node;
A reset element for resetting the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period;
A selection element that electrically connects the output node to the first signal line in a first period;
The signal holding unit is
A signal holding capacitor capable of holding a signal output from an output node of the photoelectric conversion readout unit of the first pixel;
A switch element that selectively connects the signal holding capacitor to an output node of the photoelectric conversion readout unit in a second period;
An output unit that includes a source follower element that outputs a signal held in the signal holding capacitor in the second period according to a holding voltage, and selectively outputs the converted signal to the second signal line; Including electronic equipment.
JP2017175028A 2016-09-29 2017-09-12 Solid-state image sensor, solid-state image sensor driving method, and electronic equipment Active JP7083608B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710893853.6A CN107888807B (en) 2016-09-29 2017-09-27 Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus
US15/718,265 US10277856B2 (en) 2016-09-29 2017-09-28 Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016192237 2016-09-29
JP2016192237 2016-09-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018061242A true JP2018061242A (en) 2018-04-12
JP7083608B2 JP7083608B2 (en) 2022-06-13

Family

ID=61908644

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017175028A Active JP7083608B2 (en) 2016-09-29 2017-09-12 Solid-state image sensor, solid-state image sensor driving method, and electronic equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7083608B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000504489A (en) * 1996-01-22 2000-04-11 カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー Active pixel sensor array with electronic shutter action
JP2009268083A (en) * 2008-04-03 2009-11-12 Sony Corp Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic equipment
JP2015095676A (en) * 2013-11-08 2015-05-18 オリンパス株式会社 Solid imager and imager
JP2016066843A (en) * 2014-09-24 2016-04-28 株式会社Jvcケンウッド Solid-state imaging device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000504489A (en) * 1996-01-22 2000-04-11 カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー Active pixel sensor array with electronic shutter action
JP2009268083A (en) * 2008-04-03 2009-11-12 Sony Corp Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic equipment
JP2015095676A (en) * 2013-11-08 2015-05-18 オリンパス株式会社 Solid imager and imager
JP2016066843A (en) * 2014-09-24 2016-04-28 株式会社Jvcケンウッド Solid-state imaging device

Also Published As

Publication number Publication date
JP7083608B2 (en) 2022-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10277856B2 (en) Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus
CN109587412B (en) Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus
CN110771155B (en) Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus
JP7460345B2 (en) Solid-state imaging device, driving method for solid-state imaging device, and electronic device
JP5965674B2 (en) Solid-state imaging device and imaging device
US9185273B2 (en) Imaging pixels with improved dynamic range
CN109769097B (en) Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus
US8817153B2 (en) Column parallel readout image sensors with shared column analog-to-digital converter circuitry
US8830368B2 (en) Solid-state imaging device
WO2018181463A1 (en) Solid-state imaging apparatus, method for driving solid-state imaging apparatus, and electronic device
JP6995549B2 (en) Solid-state image sensor, solid-state image sensor driving method, and electronic equipment
US8077236B2 (en) Method and apparatus providing reduced metal routing in imagers
JP2014041972A (en) Solid state image pick-up device and image pick-up device
JP6995550B2 (en) Solid-state image sensor, solid-state image sensor driving method, and electronic equipment
US11671730B2 (en) Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus
JP2020136858A (en) Solid state image pickup device, driving method of the solid state image pickup device, and electronic apparatus
JP7083608B2 (en) Solid-state image sensor, solid-state image sensor driving method, and electronic equipment
JP6825675B2 (en) Image sensor and image sensor
JP6256054B2 (en) Solid-state imaging device and imaging apparatus
JP2015100004A (en) Solid-state imaging element and imaging apparatus
JP6760907B2 (en) Image sensor and image sensor
WO2021131300A1 (en) Image capture device
JP6579186B2 (en) Imaging device and imaging apparatus
JP2024009651A (en) Photoelectric conversion device, imaging system, and apparatus
JP2024040400A (en) Solid-state imaging device and imaging device

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20171219

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20190920

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200707

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210408

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210414

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20210512

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210705

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20211020

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211217

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220511

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220601

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7083608

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150