JP2020057884A - Imaging apparatus and electronic apparatus - Google Patents

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JP2020057884A JP2018186266A JP2018186266A JP2020057884A JP 2020057884 A JP2020057884 A JP 2020057884A JP 2018186266 A JP2018186266 A JP 2018186266A JP 2018186266 A JP2018186266 A JP 2018186266A JP 2020057884 A JP2020057884 A JP 2020057884A
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佳昭 宮本
Yoshiaki Miyamoto
佳昭 宮本
聡 熊木
Satoshi Kumaki
聡 熊木
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Abstract

To provide an imaging apparatus capable of expanding a dynamic range while reducing generation of a dark current due to interface defects under a gate of a transfer transistor.SOLUTION: The imaging apparatus includes: a first mode in which the number of times the comparison result is inverted is counted using a saturation counter and connection means connects an output terminal and an input terminal; and a second mode in which counting is performed until a comparison result is inverted using a clock counter and the connection means does not connect the output terminal and the input terminal. In the first mode, a transfer unit and a reset unit are turned on by inverting the comparison result, and after a photoelectric conversion element and floating diffusion capacitance are reset, the transfer unit and the reset unit are turned off again.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に撮像装置の構成及び駆動に関する。   The present invention relates to an imaging device, and particularly to a configuration and driving of the imaging device.

デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置において、CMOSイメージセンサなどの撮像素子が広く使用されている。近年では、画素毎にAD変換器を備える撮像素子が提案されている(特許文献1)。この構成では、入力可能な光量が蓄積容量で制限されないため、ダイナミックレンジを拡大することができる。   2. Description of the Related Art Imaging devices such as CMOS image sensors are widely used in imaging devices such as digital still cameras and digital video cameras. In recent years, an image sensor having an AD converter for each pixel has been proposed (Patent Document 1). In this configuration, the amount of light that can be input is not limited by the storage capacity, so that the dynamic range can be expanded.

特許文献1では、光電変換素子で生成された電荷量をAD変換する回路について提案されている。光電変換素子と並列接続される蓄積容量の電圧が所定値に達したときに、蓄積容量の電圧をリセット電圧に戻す。また、リセット回数をカウントし、その回数を出力することでAD変換を行っている。   Patent Literature 1 proposes a circuit for AD-converting a charge generated by a photoelectric conversion element. When the voltage of the storage capacitor connected in parallel with the photoelectric conversion element reaches a predetermined value, the voltage of the storage capacitor is returned to the reset voltage. The AD conversion is performed by counting the number of resets and outputting the number of resets.

前記光電変換素子と前記蓄積容量との間に転送トランジスタが配置されており、蓄積容量の電圧をリセット電圧に戻している期間中、この転送トランジスタはOFFとなる。   A transfer transistor is arranged between the photoelectric conversion element and the storage capacitor, and the transfer transistor is turned off during a period in which the voltage of the storage capacitor is returned to the reset voltage.

一方で、光電変換素子で生成される信号電荷を蓄積容量に転送している期間中、転送トランジスタはONとなる。したがって、光電変換素子が発生する電荷量が少ない場合、蓄積期間中において転送トランジスタをONとする時間が長くなる。   On the other hand, the transfer transistor is turned on during a period in which the signal charge generated by the photoelectric conversion element is being transferred to the storage capacitor. Therefore, when the amount of charge generated by the photoelectric conversion element is small, the time during which the transfer transistor is turned on during the accumulation period becomes long.

特開2015−173432号公報JP 2015-173432 A

しかし、転送トランジスタがONとなる時間が長くなるにつれて、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥によって発生する電子により、暗電流が増加してしまう。このため、増加した暗電流によるノイズの影響を受けて、画質が低下してしまう。   However, as the time during which the transfer transistor is turned on becomes longer, dark current increases due to electrons generated by interface defects below the gate of the transfer transistor. For this reason, the image quality is deteriorated due to the influence of noise due to the increased dark current.

本発明の目的は、このような問題点を解決するため、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することが可能な撮像装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of expanding a dynamic range while reducing generation of a dark current due to an interface defect below a gate of a transfer transistor in order to solve such a problem. is there.

上記目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、
輝度に応じて電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した電荷が転送されるフローティングディフュージョン容量と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧をリセットするリセット部と、
前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン容量に転送する転送部と、
比較信号を生成する比較信号生成回路と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力端子と前記転送部及び前記リセット部の入力端子を選択的に接続する接続手段と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧との比較結果が反転するまでをカウントするクロックカウンタと、
前記転送部がOFFされている状態で前記光電変換素子から移動した電荷により変化する前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧との比較を行い、その比較結果が反転する回数をカウントする飽和カウンタと、
前記飽和カウンタと前記クロックカウンタがカウントした値を記録するメモリ部とを備え、
前記飽和カウンタを用いて比較結果が反転する回数をカウントし、
前記接続手段は前記出力端子と前記入力端子を接続する第1のモードと、
前記クロックカウンタを用いて比較結果が反転するまでをカウントし、
前記接続手段は前記出力端子と前記入力端子を接続しない第2のモードとを有し、
前記第1のモードでは比較結果が反転することで前記転送部と前記リセット部がONされ、前記光電変換素子および前記フローティングディフュージョン容量がリセットされた後、再び前記転送部と前記リセット部がOFFされることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an imaging device according to the present invention includes:
A photoelectric conversion element that generates a charge according to luminance,
A floating diffusion capacitance to which charges generated in the photoelectric conversion element are transferred,
A reset unit for resetting the voltage of the floating diffusion capacitance,
A transfer unit that transfers the charge generated by the photoelectric conversion element to the floating diffusion capacitance,
A comparison signal generation circuit that generates a comparison signal;
A comparator for comparing the voltage of the floating diffusion capacitor with the voltage of the comparison signal;
Connection means for selectively connecting an output terminal of the comparator and an input terminal of the transfer unit and the reset unit;
A clock counter that counts until the result of comparison between the voltage of the floating diffusion capacitance and the voltage of the comparison signal is inverted,
A comparison is made between the voltage of the floating diffusion capacitor, which changes due to the charge transferred from the photoelectric conversion element, and the voltage of the comparison signal in a state where the transfer unit is turned off, and the saturation is performed to count the number of times the comparison result is inverted. A counter,
A memory unit for recording a value counted by the saturation counter and the clock counter,
Count the number of times the comparison result is inverted using the saturation counter,
A first mode for connecting the output terminal and the input terminal,
Count until the comparison result is inverted using the clock counter,
The connection means has a second mode in which the output terminal and the input terminal are not connected,
In the first mode, the transfer unit and the reset unit are turned on by inverting the comparison result, and after the photoelectric conversion element and the floating diffusion capacitance are reset, the transfer unit and the reset unit are turned off again. It is characterized by that.

本発明によれば、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することが可能な撮像装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an imaging device capable of expanding a dynamic range while reducing generation of dark current due to an interface defect below a gate of a transfer transistor.

本発明の第1の実施形態による画素部の等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a pixel unit according to the first embodiment of the present invention. 画素部の処理の流れを説明するタイミングチャートである。6 is a timing chart illustrating a flow of a process performed by a pixel unit. 本発明の第1の実施形態による画素部の他の等価回路図である。FIG. 3 is another equivalent circuit diagram of the pixel unit according to the first embodiment of the present invention. 電子機器の構成例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of an electronic device. 本発明の第2の実施形態による画素部の等価回路図である。FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a pixel unit according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態による撮像装置の概念図である。It is a conceptual diagram of an imaging device by a 2nd embodiment of the present invention.

以下に、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態による画素部100の等価回路図である。画素部100は、受光した被写体像を光電変換し、更にその電気信号をデジタル信号に変換して出力する。画素部100は、フォトダイオード101、転送トランジスタ102、フローティングディフュージョン容量103、リセットトランジスタ104、ソースフォロワ115、比較器105、転送スイッチ106、リセットスイッチ107、出力選択スイッチ108、比較信号発生回路109、信号選択スイッチ110、飽和カウンタ111、クロックカウンタ112、クロックスイッチ113、メモリ部114を備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of the pixel unit 100 according to the first embodiment of the present invention. The pixel unit 100 photoelectrically converts the received subject image, further converts the electric signal into a digital signal, and outputs the digital signal. The pixel portion 100 includes a photodiode 101, a transfer transistor 102, a floating diffusion capacitor 103, a reset transistor 104, a source follower 115, a comparator 105, a transfer switch 106, a reset switch 107, an output selection switch 108, a comparison signal generation circuit 109, a signal It includes a selection switch 110, a saturation counter 111, a clock counter 112, a clock switch 113, and a memory unit 114.

フォトダイオード101は、受光する光に応じた信号電荷を発生し蓄積する。転送トランジスタ102は、後述する転送スイッチ106からの信号によりON/OFFが制御され、フォトダイオード101で蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョン容量103へ転送する。フローティングディフュージョン容量103は、後述するソースフォロワ115のゲート電極及び転送トランジスタ102と電気的につながった容量である。   The photodiode 101 generates and accumulates signal charges corresponding to the received light. ON / OFF of the transfer transistor 102 is controlled by a signal from a transfer switch 106 described later, and the signal charge accumulated in the photodiode 101 is transferred to the floating diffusion capacitor 103. The floating diffusion capacitance 103 is a capacitance electrically connected to a gate electrode of a source follower 115 and a transfer transistor 102 described later.

リセットトランジスタ104は、後述するリセットスイッチ107からの信号によりON/OFFが制御され、フォトダイオード101やフローティングディフュージョン容量103に存在する不要信号電荷をリセットする。ソースフォロワ115は、フローティングディフュージョン容量103に転送された信号電荷を電圧に変換し比較器105へ出力する。   ON / OFF of the reset transistor 104 is controlled by a signal from a reset switch 107 described later, and resets unnecessary signal charges existing in the photodiode 101 and the floating diffusion capacitor 103. The source follower 115 converts the signal charge transferred to the floating diffusion capacitor 103 into a voltage and outputs the voltage to the comparator 105.

比較器105は、後述する比較信号発生回路109から供給された基準信号の電圧VRまたはスロープ信号の電圧VSとフローティングディフュージョン容量103の電圧VFDを比較し、その比較結果(VCOMP)を出力する。比較器105の出力は接続手段である転送スイッチ106、リセットスイッチ107及び選択手段である出力選択スイッチ108に供給される。   The comparator 105 compares the voltage VR of the reference signal or the voltage VS of the slope signal supplied from the later-described comparison signal generation circuit 109 with the voltage VFD of the floating diffusion capacitor 103, and outputs the comparison result (VCOMP). The output of the comparator 105 is supplied to a transfer switch 106, a reset switch 107, and an output selection switch 108 as selection means.

転送スイッチ106は、信号ETXにより制御され、比較器105の出力または信号PTXのどちらか一方の信号を転送トランジスタ102に供給する。リセットスイッチ107は、信号ERESにより制御され、比較器105の出力または信号PRESのどちらか一方の信号をリセットトランジスタ104に供給する。ここで、信号ETXや信号ERESが「L」となっている場合、VCOMPに従って転送トランジスタ102やリセットトランジスタ104のON/OFFが切り替わる。出力選択スイッチ108は、信号EREFにより制御され、比較器105の出力を後述する飽和カウンタ111またはクロックカウンタ112に供給する。   The transfer switch 106 is controlled by the signal ETX, and supplies either the output of the comparator 105 or the signal PTX to the transfer transistor 102. The reset switch 107 is controlled by the signal ERES, and supplies either the output of the comparator 105 or the signal PRES to the reset transistor 104. Here, when the signal ETX or the signal ERES is “L”, ON / OFF of the transfer transistor 102 and the reset transistor 104 is switched according to VCOMP. The output selection switch 108 is controlled by the signal EREF, and supplies the output of the comparator 105 to a saturation counter 111 or a clock counter 112 described later.

比較信号発生回路109は、電圧VFDとの比較のための比較信号である基準信号及びスロープ信号を生成する。これらの信号は後述する信号選択スイッチ110に供給される。選択手段である信号選択スイッチ110は、信号EREFにより制御され、比較信号発生回路109から供給された基準信号またはスロープ信号のどちらか一方を比較器105に供給する。   The comparison signal generation circuit 109 generates a reference signal and a slope signal which are comparison signals for comparison with the voltage VFD. These signals are supplied to a signal selection switch 110 described later. The signal selection switch 110, which is a selection unit, is controlled by the signal EREF, and supplies one of the reference signal and the slope signal supplied from the comparison signal generation circuit 109 to the comparator 105.

飽和カウンタ111は、比較器105が電圧VFDと基準信号の電圧VRを比較し、電圧VFDが電圧VRよりも小さいと判定された回数をカウントし記録する。また、飽和カウンタ111は記録した値(CNTS)をメモリ部114に供給する。クロックカウンタ112は、後述するクロックスイッチ113からクロックが供給され、そのクロックを用いてカウント動作を行う。また、クロックカウンタ112は比較器105が電圧VFDとスロープ信号の電圧VSを比較し、電圧VSが電圧VFDよりも小さいと判定された際のカウント値を記録する。加えて、クロックカウンタ112は記録したカウント値をメモリ部114に供給する。クロックスイッチ113は、信号EREFにより制御され、クロックカウンタ112にクロックを供給する。メモリ部114は、飽和カウンタ111とクロックカウンタ112から供給された値に対し演算を行い、その結果を画素部外へ出力する。   The saturation counter 111 compares the voltage VFD with the voltage VR of the reference signal by the comparator 105, and counts and records the number of times that the voltage VFD is determined to be smaller than the voltage VR. The saturation counter 111 supplies the recorded value (CNTS) to the memory unit 114. The clock counter 112 is supplied with a clock from a clock switch 113 described later, and performs a counting operation using the clock. Further, the clock counter 112 compares the voltage VFD with the voltage VS of the slope signal by the comparator 105, and records a count value when it is determined that the voltage VS is smaller than the voltage VFD. In addition, the clock counter 112 supplies the recorded count value to the memory unit 114. The clock switch 113 is controlled by the signal EREF and supplies a clock to the clock counter 112. The memory unit 114 performs an operation on the values supplied from the saturation counter 111 and the clock counter 112, and outputs the result outside the pixel unit.

図2は本発明の画素部100の処理の流れを説明するタイミングチャートである。図1及び図2を参照し、画素部100で発生した信号電荷をデジタル信号に変換し、画素部外へ出力するまでの一連の動作について説明する。なお、図2(a)はフォトダイオード101に入射する光の強度が小さい場合であり、図2(b)はフォトダイオード101に入射する光の強度が大きい場合である。   FIG. 2 is a timing chart for explaining the flow of processing of the pixel unit 100 according to the present invention. With reference to FIGS. 1 and 2, a series of operations from converting a signal charge generated in the pixel unit 100 into a digital signal and outputting the digital signal to the outside of the pixel unit will be described. 2A shows the case where the intensity of light incident on the photodiode 101 is low, and FIG. 2B shows the case where the intensity of light incident on the photodiode 101 is high.

まず、図2(a)を用いてフォトダイオード101に入射する光の強度が小さい場合の動作例について説明する。図2(a)において、フォトダイオード101にて信号電荷を蓄積する前に、信号ERESを「H」とし、信号PRESをリセットトランジスタ104に供給する。また、信号PTXと信号PRESを「H」にし、転送トランジスタ102とリセットトランジスタ104をONにする。これにより、フォトダイオード101とフローティングディフュージョン容量103の不要信号電荷をリセットする。   First, an operation example when the intensity of light incident on the photodiode 101 is low will be described with reference to FIG. In FIG. 2A, the signal ERES is set to “H” and the signal PRES is supplied to the reset transistor 104 before the signal charge is accumulated in the photodiode 101. Further, the signal PTX and the signal PRES are set to “H”, and the transfer transistor 102 and the reset transistor 104 are turned on. As a result, unnecessary signal charges of the photodiode 101 and the floating diffusion capacitor 103 are reset.

時刻t200において、信号PRESを「L」にし、リセットトランジスタ104がOFFされ、リセット状態が解除される。そして、フォトダイオード101は信号電荷を発生し、その信号電荷の蓄積を開始する。また、信号ERES、ETXを「L」にし、転送トランジスタ102とリセットトランジスタ104のゲートに比較器105の出力を供給する。信号EREFが「L」となり、信号選択スイッチ110は比較信号発生回路109から比較器105へ基準信号を供給する。同様に、出力選択スイッチ108は比較器105の比較結果VCOMPを飽和カウンタ111に供給する。比較器105は基準信号の電圧VRとフローティングディフュージョン容量103の電圧VFDを比較し始める。   At time t200, the signal PRES is set to “L”, the reset transistor 104 is turned off, and the reset state is released. Then, the photodiode 101 generates signal charges and starts accumulating the signal charges. Further, the signals ERES and ETX are set to “L”, and the output of the comparator 105 is supplied to the gates of the transfer transistor 102 and the reset transistor 104. The signal EREF becomes “L”, and the signal selection switch 110 supplies a reference signal from the comparison signal generation circuit 109 to the comparator 105. Similarly, the output selection switch 108 supplies the comparison result VCOMP of the comparator 105 to the saturation counter 111. The comparator 105 starts comparing the voltage VR of the reference signal with the voltage VFD of the floating diffusion capacitor 103.

このとき、転送トランジスタ102のゲートに負電圧を印加することで転送トランジスタ102をOFFさせる。負電圧を印加することで、転送トランジスタ102のゲート下に正孔が誘起される。この誘起された正孔は、ゲート下の界面欠陥により発生する電子と結合される。これにより、暗電流の原因である界面欠陥に発生する電子の数が低減される。したがって、転送トランジスタ102のゲートに負電圧を印加して転送トランジスタ102をOFFさせることで、暗電流の発生を低減させることができる。   At this time, the transfer transistor 102 is turned off by applying a negative voltage to the gate of the transfer transistor 102. By applying a negative voltage, holes are induced below the gate of the transfer transistor 102. The induced holes are combined with electrons generated by interface defects below the gate. As a result, the number of electrons generated in the interface defect that causes the dark current is reduced. Therefore, by applying a negative voltage to the gate of the transfer transistor 102 to turn off the transfer transistor 102, generation of dark current can be reduced.

転送トランジスタ102をOFFしていることで、フォトダイオード101で蓄積した信号電荷はフローティングディフュージョン容量103に転送されない。しかし、入射する光の強度によってはフォトダイオード101で発生した信号電荷の量がフォトダイオード101自体で蓄積できる電荷量を超えてしまう。この蓄積できる電荷量を超えて発生する信号電荷は、転送トランジスタ102を介してフローティングディフュージョン容量103に移動する。   Since the transfer transistor 102 is turned off, the signal charge accumulated in the photodiode 101 is not transferred to the floating diffusion capacitance 103. However, depending on the intensity of incident light, the amount of signal charges generated by the photodiode 101 exceeds the amount of charges that can be accumulated by the photodiode 101 itself. The signal charge generated exceeding the amount of charge that can be stored moves to the floating diffusion capacitor 103 via the transfer transistor 102.

時刻t201において、フォトダイオード101自体で蓄積できる電荷量を超えて発生する信号電荷がフローティングディフュージョン容量103に移動する。その結果、電圧VFDはリセット状態の電圧から徐々に低下しはじめる。   At time t201, signal charges generated in excess of the amount of charge that can be accumulated in the photodiode 101 itself move to the floating diffusion capacitor 103. As a result, the voltage VFD starts to gradually decrease from the voltage in the reset state.

時刻t202において、電圧VFDが電圧VRを下回ると、比較結果VCOMPが「H」となり、転送トランジスタ102、リセットトランジスタ104及び飽和カウンタ111にその結果が供給される。転送トランジスタ102とリセットトランジスタ104がONとなり、フォトダイオード101とフローティングディフュージョン容量103の信号電荷がリセットされる。飽和カウンタ111は比較結果VCOMPに応じてカウントする。   At time t202, when the voltage VFD falls below the voltage VR, the comparison result VCOMP becomes “H”, and the result is supplied to the transfer transistor 102, the reset transistor 104, and the saturation counter 111. The transfer transistor 102 and the reset transistor 104 are turned on, and the signal charges of the photodiode 101 and the floating diffusion capacitor 103 are reset. The saturation counter 111 counts according to the comparison result VCOMP.

時刻t203において、フォトダイオード101及びフローティングディフュージョン容量103の電圧がリセットされた状態となる。そして、フォトダイオード101は再び信号電荷を発生かつ蓄積を開始する。比較器105はリセットされた電圧VFDと電圧VRを比較する。比較の結果、VCOMPは「L」となり、転送トランジスタ102及びリセットトランジスタ104はOFFされる。   At time t203, the voltages of the photodiode 101 and the floating diffusion capacitance 103 are reset. Then, the photodiode 101 again generates a signal charge and starts accumulation. The comparator 105 compares the reset voltage VFD with the voltage VR. As a result of the comparison, VCOMP becomes “L”, and the transfer transistor 102 and the reset transistor 104 are turned off.

時刻t204において、信号ERESを「H」にし、信号PRESをリセットトランジスタ104に供給する。また、信号PRESを「H」にし、リセットトランジスタ104をONにする。これにより、フローティングディフュージョン容量103に存在する信号電荷がリセットされる。信号ETXを「H」にし、転送スイッチ106は転送トランジスタ102へ信号PTXを供給する。この時、信号PTXは「L」とする。   At a time t204, the signal ERES is set to “H”, and the signal PRES is supplied to the reset transistor 104. Further, the signal PRES is set to “H”, and the reset transistor 104 is turned on. As a result, the signal charges existing in the floating diffusion capacitance 103 are reset. The signal ETX is set to “H”, and the transfer switch 106 supplies the signal PTX to the transfer transistor 102. At this time, the signal PTX is set to “L”.

時刻t200から時刻t204までの動作(第1のモード)により、飽和カウンタ111はCNTSをメモリ部114へ供給する。時刻t204が終了した時点でフォトダイオード101での信号電荷の発生と蓄積(蓄積時間)が終了する。   Due to the operation (first mode) from time t200 to time t204, the saturation counter 111 supplies the CNTS to the memory unit 114. When the time t204 ends, the generation and accumulation (accumulation time) of the signal charge in the photodiode 101 ends.

時刻t205において、信号PRESを「L」にし、リセットトランジスタ104がOFFされ、リセット状態が解除される。また、信号EREFを「H」にし、信号選択スイッチ110は比較信号発生回路109から比較器105へスロープ信号を供給する。クロックスイッチ113はクロックカウンタ112にクロックを供給する。クロックカウンタ112は供給されたクロックを用いてカウント動作を開始する。出力選択スイッチ108を介して比較器105とクロックカウンタ112とを接続する。そして、比較器105は電圧VFDと電圧VSとを比較し始め、その結果をクロックカウンタ112へ供給する。   At time t205, the signal PRES is set to “L”, the reset transistor 104 is turned off, and the reset state is released. Further, the signal EREF is set to “H”, and the signal selection switch 110 supplies a slope signal from the comparison signal generation circuit 109 to the comparator 105. The clock switch 113 supplies a clock to the clock counter 112. The clock counter 112 starts a count operation using the supplied clock. The comparator 105 and the clock counter 112 are connected via the output selection switch 108. Then, the comparator 105 starts comparing the voltage VFD with the voltage VS, and supplies the result to the clock counter 112.

時刻t206において、電圧VFDが電圧VSを上回ると比較結果VCOMPが「H」となる。同時にクロックカウンタ112はこの時のカウント値(以降、N値とする)をメモリ部114に供給する。この処理により、電圧VFDのレベルに応じたAD変換結果を取得することができる。このN値は、リセット状態が解除されたときの電圧をAD変換した値であり、この値にはリセットノイズ成分が含まれている。   At time t206, when the voltage VFD exceeds the voltage VS, the comparison result VCOMP becomes “H”. At the same time, the clock counter 112 supplies the count value at this time (hereinafter referred to as N value) to the memory unit 114. With this processing, it is possible to obtain an AD conversion result according to the level of the voltage VFD. The N value is a value obtained by AD-converting the voltage when the reset state is released, and this value includes a reset noise component.

時刻t207において、スロープ信号の電圧VSが一定の値に達したため、電圧VFDと電圧VSとの比較が終了する。また、クロックカウンタ112に供給されているクロックが停止し、クロックカウンタ112もカウント動作を停止する。   At time t207, since the voltage VS of the slope signal has reached a certain value, the comparison between the voltage VFD and the voltage VS ends. Further, the clock supplied to the clock counter 112 stops, and the clock counter 112 also stops counting.

時刻t208から時刻t209において、信号PTXが「H」となり、転送トランジスタ102がONされ、フォトダイオード101に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン容量103に転送される。   From time t208 to time t209, the signal PTX becomes “H”, the transfer transistor 102 is turned on, and the signal charge accumulated in the photodiode 101 is transferred to the floating diffusion capacitor 103.

時刻t210において、比較信号発生回路109は比較器105へスロープ信号を供給する。また、クロックカウンタ112にクロックを供給し、カウント動作を開始する。比較器105は電圧VFDと電圧VSとを比較し始め、その結果をクロックカウンタ112へ供給する。   At time t210, comparison signal generation circuit 109 supplies a slope signal to comparator 105. Further, a clock is supplied to the clock counter 112 to start a counting operation. Comparator 105 starts comparing voltage VFD with voltage VS, and supplies the result to clock counter 112.

時刻t211において、電圧VFDが電圧VSを上回ると比較結果VCOMPが「H」となる。同時にクロックカウンタ112はこの時のカウント値(以降、S値とする)をメモリ部114に供給する。電圧VFDのレベルに応じたAD変換結果を取得することができる。   At time t211, when the voltage VFD exceeds the voltage VS, the comparison result VCOMP becomes “H”. At the same time, the clock counter 112 supplies the count value at this time (hereinafter referred to as an S value) to the memory unit 114. An AD conversion result according to the level of voltage VFD can be obtained.

このS値には、光成分(LS)、リセットノイズ成分と暗電流によるノイズ成分(NDC)が含まれている。このNDCはトランジスタのゲート下の界面欠陥で発生する電子の増減によって決まるものである。このNDCのうち、時刻t200から時刻t204までの期間中に転送トランジスタ102がONとなることで発生する成分がある。   The S value includes a light component (LS), a reset noise component, and a noise component due to dark current (NDC). This NDC is determined by the increase and decrease of electrons generated by interface defects below the gate of the transistor. In the NDC, there is a component generated when the transfer transistor 102 is turned on during a period from time t200 to time t204.

上述した駆動では、フォトダイオード101で発生する信号電荷の蓄積を行う時刻t200から時刻t204において、時刻t200から時刻t202及び時刻t203から時刻t204までは転送トランジスタ102をOFFする。これにより、転送トランジスタ102をONする時間が短くなり、ゲート下の界面欠陥で発生する電子の数を低減できる。結果として、S値に含まれるNDCを低減することができる。   In the above-described driving, the transfer transistor 102 is turned off from time t200 to time t202 and from time t203 to time t204 from time t200 to time t204 when the signal charge generated in the photodiode 101 is accumulated. As a result, the time during which the transfer transistor 102 is turned on is shortened, and the number of electrons generated by the interface defect under the gate can be reduced. As a result, NDC included in the S value can be reduced.

時刻t212において、スロープ信号VSが一定の値(時刻t206よりも低い値)に達したため、電圧VFDと電圧VSとの比較が終了する。また、クロックカウンタ112に供給されているクロックが停止し、クロックカウンタ112もカウント動作を停止する。時刻t205から時刻t212までの動作(第2のモード)が終了した後、メモリ部114は時刻t211で得られたS値から時刻t206で得られたN値を減算する。この減算により、S値からリセットノイズ成分を除去した値を得ることができる。そして、時刻t204で飽和カウンタ111が供給したCNTSが最上位ビット側に配置されるようにCNTSと減算されたS値を結合する。画素部100はこの結合された値(以降、デジタル信号と呼ぶ)を画素部外へ出力する。この出力するデジタル信号(DOUT)は、
DOUT=(CNTS×EC)+(LS+NDC)
という値となる。ECは転送トランジスタ102がOFFとなっている時にフォトダイオード101で蓄積できる電荷量に応じた値となる。図2(a)の場合、時刻t200から時刻t204において、転送トランジスタ102をONさせる時間はフローティングディフュージョン容量103のリセット期間に限られるので、転送トランジスタ102のゲート下の界面欠陥によって発生する暗電流を低減したデジタル信号を生成することができる。
At time t212, since the slope signal VS has reached a certain value (a value lower than time t206), the comparison between the voltage VFD and the voltage VS ends. Further, the clock supplied to the clock counter 112 stops, and the clock counter 112 also stops counting. After the operation (second mode) from time t205 to time t212 ends, the memory unit 114 subtracts the N value obtained at time t206 from the S value obtained at time t211. By this subtraction, a value obtained by removing the reset noise component from the S value can be obtained. Then, at time t204, the CNTS and the subtracted S value are combined so that the CNTS supplied by the saturation counter 111 is arranged on the most significant bit side. The pixel unit 100 outputs the combined value (hereinafter, referred to as a digital signal) to the outside of the pixel unit. The output digital signal (DOUT) is
DOUT = (CNTS × EC) + (LS + NDC)
Value. EC has a value corresponding to the amount of charge that can be accumulated in the photodiode 101 when the transfer transistor 102 is turned off. In the case of FIG. 2A, from time t200 to time t204, the time during which the transfer transistor 102 is turned on is limited to the reset period of the floating diffusion capacitor 103, so that the dark current generated by the interface defect under the gate of the transfer transistor 102 is reduced. A reduced digital signal can be generated.

次に、図2(b)を用いてフォトダイオード101に入射する光の強度が大きい場合の動作例について説明する。時刻t220から時刻t223までの動作は図2(a)の時刻t200から時刻t203までの動作と同様のため省略する。   Next, an operation example when the intensity of light incident on the photodiode 101 is high will be described with reference to FIG. The operation from time t220 to time t223 is the same as the operation from time t200 to time t203 in FIG.

上述した動作を時刻t224から時刻t229まで繰り返し、飽和カウンタ111にてフォトダイオード101が蓄積できる電荷量を超えた回数をカウントする。時刻t230の動作は図2(a)の時刻t204と同様のため省略する。時刻t220から時刻t230までの動作により、飽和カウンタ111はCNTSをメモリ部114へ供給する。   The above operation is repeated from time t224 to time t229, and the saturation counter 111 counts the number of times that the amount of charge that the photodiode 101 can store is exceeded. The operation at time t230 is the same as that at time t204 in FIG. By the operation from the time t220 to the time t230, the saturation counter 111 supplies the CNTS to the memory unit 114.

時刻t230が終了した時点でフォトダイオード101での信号電荷の発生と蓄積(蓄積時間)が終了する。なお、図2(b)の場合、時刻t220から時刻t230までの動作が第1のモードとなる。   When the time t230 ends, the generation and accumulation (accumulation time) of the signal charge in the photodiode 101 ends. In the case of FIG. 2B, the operation from time t220 to time t230 is the first mode.

第2のモードである時刻t231から時刻t238までの動作は図2(a)の時刻t205から時刻212までの動作と同様のため省略する。メモリ部114は時刻t237で得られたS値から時刻t232で得られたN値を減算し、リセットノイズ成分を除去する。そして、飽和カウンタ111が供給したCNTSが最上位ビット側に配置されるようにCNTSと減算されたS値を結合する。画素部100はデジタル信号(DOUT)を画素部外へ出力する。   The operation from time t231 to time t238, which is the second mode, is the same as the operation from time t205 to time 212 in FIG. The memory unit 114 removes the reset noise component by subtracting the N value obtained at time t232 from the S value obtained at time t237. Then, the CNTS and the subtracted S value are combined so that the CNTS supplied by the saturation counter 111 is arranged on the most significant bit side. The pixel unit 100 outputs a digital signal (DOUT) outside the pixel unit.

図2(b)の場合、図2(a)と比べて転送トランジスタ102をONさせる時間が増えるため、NDCが増加する。しかし、出力するデジタル信号全体に占めるNDCの割合は十分に小さいので問題にはならない。   In the case of FIG. 2B, the time for turning on the transfer transistor 102 is longer than that of FIG. 2A, so that the NDC increases. However, the ratio of the NDC to the entire output digital signal is sufficiently small, so this is not a problem.

以上、図1及び図2を用いて説明した処理を行うことで、本撮像装置は転送トランジスタ102がONとなる時間を短くし、転送トランジスタ102のゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながらダイナミックレンジを拡大したデジタル信号を得ることができる。   As described above, by performing the processing described with reference to FIGS. 1 and 2, the imaging device shortens the time during which the transfer transistor 102 is turned on, and reduces the generation of dark current due to an interface defect below the gate of the transfer transistor 102. A digital signal with an expanded dynamic range can be obtained.

なお、図2のタイミングチャートの各時刻間は下記のような関係となる。例えば、クロックカウンタ112に供給されるクロックの周波数が1GHzかつ画素部100のAD変換の分解能が12bitの場合、第2のモードでS値及びN値を取得する期間の合計時間は10μsec以内となる。   Note that the following relationship is established between the times in the timing chart of FIG. For example, when the frequency of the clock supplied to the clock counter 112 is 1 GHz and the resolution of the AD conversion of the pixel unit 100 is 12 bits, the total time of acquiring the S value and the N value in the second mode is within 10 μsec. .

一方、この画素部100と絞り値をF5.6としたレンズを用いて、光量LV12である被写体を撮影する場合、第1のモードを100ms以上に設定するとフォトダイオード101で発生した信号電荷の量が、フォトダイオード101自体で蓄積できる電荷量を超えることになる。したがって、第2のモードの時間は第1のモードの時間に比べて十分に短い。故に、第2のモードでは、フォトダイオード101で発生した信号電荷の量がフォトダイオード101自体で蓄積できる電荷量を超え、フローティングディフュージョン容量103の電圧VFDが変化することは少ない。   On the other hand, when an image of a subject having a light amount LV12 is taken using the pixel portion 100 and a lens having an aperture value of F5.6, when the first mode is set to 100 ms or more, the amount of signal charges generated in the photodiode 101 is increased. Exceeds the amount of charge that can be accumulated by the photodiode 101 itself. Therefore, the time of the second mode is sufficiently shorter than the time of the first mode. Therefore, in the second mode, the amount of signal charge generated by the photodiode 101 exceeds the amount of charge that can be accumulated by the photodiode 101 itself, and the voltage VFD of the floating diffusion capacitor 103 rarely changes.

図3は画素部100の他の等価回路例を示す図である。本例の画素部300は、図1に示した画素部100の回路構成に加え、オーバーフロードレイントランジスタ301を更に備える。オーバーフロードレイントランジスタ301は、信号POFによりON/OFFが制御され、フォトダイオード101で発生した信号電荷を排出する。   FIG. 3 is a diagram illustrating another example of an equivalent circuit of the pixel unit 100. The pixel portion 300 of this example further includes an overflow drain transistor 301 in addition to the circuit configuration of the pixel portion 100 shown in FIG. ON / OFF of the overflow drain transistor 301 is controlled by the signal POF, and the signal drain generated by the photodiode 101 is discharged.

図1の画素部100において、図2(b)のようにフォトダイオード101に入射する光の強度が大きい場合、S値及びN値を取得している第2のモードにおいて、フォトダイオード101で発生した信号電荷の量がフォトダイオード101自体で蓄積できる電荷量を超える。この結果、フローティングディフュージョン容量103の電圧VFDが変化してしまう。   In the pixel portion 100 of FIG. 1, when the intensity of light incident on the photodiode 101 is high as shown in FIG. 2B, the light is generated by the photodiode 101 in the second mode in which the S value and the N value are acquired. The amount of the generated signal charge exceeds the amount of charge that can be stored in the photodiode 101 itself. As a result, the voltage VFD of the floating diffusion capacitance 103 changes.

この変化を抑制するために、図3の画素部300においてS値及びN値の取得をしている期間中、信号POFを「H」とし、オーバーフロードレイントランジスタ301をONする。これにより、フォトダイオード101で発生かつ蓄積した信号電荷を排出し、電圧VFDの変化を抑制する。信号POFを「H」とする期間は、図2(a)の時刻t204から時刻t212、図2(b)の時刻t230から時刻t238の期間で行う。このように、オーバーフロードレイントランジスタ301を動作させることで、第2モード中に電圧VFDが変化することを抑制できる。   In order to suppress this change, the signal POF is set to “H” and the overflow drain transistor 301 is turned on while the pixel unit 300 in FIG. 3 is acquiring the S value and the N value. As a result, signal charges generated and accumulated in the photodiode 101 are discharged, and a change in the voltage VFD is suppressed. The period during which the signal POF is set to “H” is performed from time t204 to time t212 in FIG. 2A, and from time t230 to time t238 in FIG. 2B. By operating the overflow drain transistor 301 in this manner, it is possible to suppress the voltage VFD from changing during the second mode.

オーバーフロードレイントランジスタ301を備えることで、例えば、撮影時に目的の被写体よりも光の強度がより大きい被写体が存在した場合、第2のモード中にフォトダイオード101で発生かつ蓄積した信号電荷を排出し、電圧VFDの変化を抑制することができる。なお、オーバーフロードレイントランジスタ301の動作として、図2(a)の時刻t200及び図2(b)の時刻t220の前に信号POFを「H」とし、フォトダイオード101に蓄積されている不要信号電荷を排出するようにしてもよい。   By providing the overflow drain transistor 301, for example, when there is a subject having a higher light intensity than the target subject at the time of shooting, the signal charges generated and accumulated in the photodiode 101 during the second mode are discharged, A change in voltage VFD can be suppressed. Note that as an operation of the overflow drain transistor 301, the signal POF is set to “H” before the time t200 in FIG. 2A and the time t220 in FIG. 2B, and unnecessary signal charges accumulated in the photodiode 101 are reduced. You may make it discharge | emit.

本発明の画素部100は図2で示したように、フォトダイオード101自体で蓄積できる電荷量を超えた信号電荷がフローティングディフュージョン容量103に移動することで、電圧VFDが変化する。この画素部100を構成するフォトダイオード101は、感度のばらつきや蓄積できる電荷量(EC)のばらつきがある。これらのばらつきにより画素部毎に電圧VFDが電圧VRを下回る時刻、すなわち図2(a)の時刻t201や図2(b)の時刻t222、t225、t228が異なることになる。このばらつきの影響を低減する方法について説明する。   In the pixel portion 100 of the present invention, as shown in FIG. 2, the signal charge exceeding the charge amount that can be accumulated by the photodiode 101 itself moves to the floating diffusion capacitor 103, so that the voltage VFD changes. The photodiodes 101 forming the pixel portion 100 have variations in sensitivity and variations in the amount of charge (EC) that can be accumulated. Due to these variations, the time when the voltage VFD becomes lower than the voltage VR, that is, the time t201 in FIG. 2A and the times t222, t225, and t228 in FIG. A method for reducing the influence of this variation will be described.

図4は図1で示した画素部100で構成される撮像装置を備える電子機器の構成例を示すブロック図である。電子機器400は、レンズ401、撮像装置402、DSP403、補正関数メモリ404から構成されている。   FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of an electronic apparatus including an imaging device including the pixel unit 100 illustrated in FIG. The electronic device 400 includes a lens 401, an imaging device 402, a DSP 403, and a correction function memory 404.

レンズ401は被写体像を撮像装置402に結像させる。このレンズ401内には、開口径が変化し、露出量を調節するための絞り値を決定する絞りを備える。撮像装置400には画素部100が行方向及び列方向に2次元配置されている。各画素部100は被写体像を光電変換及びAD変換によりデジタル信号を出力する。DSP403は撮像装置402から供給されたデジタル信号に、後述する補正関数を用いた補正処理、各種画像処理や圧縮処理を行う。   The lens 401 forms a subject image on the imaging device 402. The lens 401 has an aperture that changes the aperture diameter and determines an aperture value for adjusting the exposure amount. In the imaging device 400, the pixel units 100 are two-dimensionally arranged in a row direction and a column direction. Each pixel unit 100 outputs a digital signal by subjecting the subject image to photoelectric conversion and AD conversion. The DSP 403 performs a correction process using a correction function described later, various image processes, and a compression process on the digital signal supplied from the imaging device 402.

補正関数メモリ404は、各画素部100から出力されるデジタル信号を補正するための補正関数が記録されている。補正関数メモリ404はDSP403の要求により、補正関数をDSP403へ供給する。また、補正関数はDSP403により変更や追加をすることができる。   The correction function memory 404 stores a correction function for correcting a digital signal output from each pixel unit 100. The correction function memory 404 supplies a correction function to the DSP 403 in response to a request from the DSP 403. The correction function can be changed or added by the DSP 403.

次に、補正関数を用いて補正を行う処理について説明する。撮像装置402は、レンズ401により入射光を受光する。画素部100は照射された光に応じたデジタル信号をDSP403へ供給する。DSP403は供給されたデジタル信号のレベルを評価する。DSP403は評価したレベルに応じて、補正関数メモリ404に記録されている複数の補正関数から、補正に用いる補正関数を選択する。補正関数メモリ404は選択された補正関数をDSP403へ供給する。DSP403は供給された補正関数を用いてデジタル信号を補正する。これにより、画素部毎のばらつきを低減したデジタル信号を生成することができる。   Next, processing for performing correction using a correction function will be described. The imaging device 402 receives incident light through a lens 401. The pixel unit 100 supplies a digital signal corresponding to the emitted light to the DSP 403. The DSP 403 evaluates the level of the supplied digital signal. The DSP 403 selects a correction function to be used for correction from a plurality of correction functions recorded in the correction function memory 404 according to the evaluated level. The correction function memory 404 supplies the selected correction function to the DSP 403. The DSP 403 corrects the digital signal using the supplied correction function. This makes it possible to generate a digital signal in which variation in each pixel portion is reduced.

次に、補正関数の生成方法について説明する。均一の強度である入射光を撮像装置402の各画素部100に入射する。DSP403は各画素部100が出力したデジタル信号から、それらの平均値を算出する。この平均値を基に補正関数を生成する。例えば、画素部100が出力したデジタル信号のレベルが平均値と差分がある場合、この差分をなくすように補正値を決定する。この補正値を補正関数として、補正関数メモリ404に記録する。この補正関数を生成する処理を、光の強度を変更して行うことでデジタル信号のレベルに応じた補正関数を生成する。これにより、デジタル信号のレベルに応じた複数の補正関数を生成することができる。   Next, a method of generating a correction function will be described. Incident light having a uniform intensity is incident on each pixel unit 100 of the imaging device 402. The DSP 403 calculates an average value of the digital signals output from the respective pixel units 100. A correction function is generated based on the average value. For example, when the level of the digital signal output from the pixel unit 100 has a difference from the average value, the correction value is determined so as to eliminate the difference. This correction value is recorded in the correction function memory 404 as a correction function. The processing for generating the correction function is performed by changing the light intensity, thereby generating a correction function corresponding to the level of the digital signal. Thereby, it is possible to generate a plurality of correction functions according to the level of the digital signal.

ここで、補正関数の生成は撮影時の温度に応じて行ってもよいし、撮像装置の駆動モードに応じて行ってもよい。温度に応じて補正関数を生成する場合、例えば電子機器400に温度計を備える。この温度計により撮影時の温度を取得し、その取得した温度情報を基に補正関数の生成を行う。撮像装置の駆動モードに応じて補正関数を生成する場合、例えば静止画撮影時の駆動モードの露出時間に応じて補正関数を生成してもよいし、動画撮影時の駆動モードのフレームレート設定毎に補正関数を生成してもよい。   Here, the generation of the correction function may be performed according to the temperature at the time of shooting, or may be performed according to the drive mode of the imaging device. When the correction function is generated according to the temperature, for example, the electronic device 400 includes a thermometer. The temperature at the time of photographing is acquired by the thermometer, and a correction function is generated based on the acquired temperature information. When generating the correction function according to the drive mode of the imaging device, for example, the correction function may be generated according to the exposure time of the drive mode at the time of shooting a still image, or each time the frame rate of the drive mode is set at the time of shooting a moving image. May be generated.

以上述べてきた構成及び処理を行うことで、本発明に係る撮像装置は、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することができる。ここで、補正関数を生成する方法は一例であり、他の方法で補正関数を生成してもよい。   By performing the above-described configuration and processing, the imaging device according to the present invention can expand the dynamic range while reducing the occurrence of dark current due to interface defects below the gate of the transfer transistor. Here, the method of generating the correction function is an example, and the correction function may be generated by another method.

(第2の実施形態)
図5は本発明の第2の実施形態による画素部100の等価回路図である。図1に示す第1の実施形態の画素部100の構成と異なる点を説明する。光電変換部500は、フォトダイオード101、転送トランジスタ102、フローティングディフュージョン容量103、リセットトランジスタ104、転送スイッチ106、リセットスイッチ107及びソースフォロワ115から構成される。比較部501は、比較器105、比較信号発生回路109及び信号選択スイッチ110で構成されている。信号処理部502は、出力選択スイッチ108、飽和カウンタ111、クロックカウンタ112、クロックスイッチ113及びメモリ部114で構成されている。
(Second embodiment)
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the pixel unit 100 according to the second embodiment of the present invention. Differences from the configuration of the pixel unit 100 of the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. The photoelectric converter 500 includes a photodiode 101, a transfer transistor 102, a floating diffusion capacitor 103, a reset transistor 104, a transfer switch 106, a reset switch 107, and a source follower 115. The comparison unit 501 includes a comparator 105, a comparison signal generation circuit 109, and a signal selection switch 110. The signal processing unit 502 includes an output selection switch 108, a saturation counter 111, a clock counter 112, a clock switch 113, and a memory unit 114.

なお、図5の等価回路図は図1に示した画素部100を基に構成されているが、図3の画素部300を基に構成されていてもよい。この場合、光電変換部500にはオーバーフロードレイントランジスタ301が追加される。   Although the equivalent circuit diagram of FIG. 5 is configured based on the pixel unit 100 illustrated in FIG. 1, the equivalent circuit diagram may be configured based on the pixel unit 300 illustrated in FIG. In this case, an overflow drain transistor 301 is added to the photoelectric conversion unit 500.

図6は図5で説明した画素部100を備える撮像装置の概念図である。撮像装置600は、光電変換基板601、デジタル変換基板602及び信号処理基板603から構成されており、それぞれの基板が積層された構造となっている。光電変換基板601、デジタル変換基板602及び信号処理基板603には、それぞれ光電変換部500、比較部501及び信号処理部502が行方向及び列方向に2次元配置されている。図6には示していないが、ビアやマイクロバンプによりそれぞれの基板は電気的に結合している。   FIG. 6 is a conceptual diagram of an imaging device including the pixel unit 100 described in FIG. The imaging device 600 includes a photoelectric conversion substrate 601, a digital conversion substrate 602, and a signal processing substrate 603, and has a structure in which the respective substrates are stacked. On the photoelectric conversion substrate 601, the digital conversion substrate 602, and the signal processing substrate 603, a photoelectric conversion unit 500, a comparison unit 501, and a signal processing unit 502 are two-dimensionally arranged in a row direction and a column direction, respectively. Although not shown in FIG. 6, the respective substrates are electrically connected by vias or micro bumps.

それぞれの基板を電気的に結合することで、光電変換基板601の光電変換部500で発生した信号電荷と基準信号またはスロープ信号をデジタル変換基板602の比較部501で比較する。そして、信号処理基板603の信号処理部502は、比較部501の比較結果を用いることで信号電荷をデジタル信号に変換し、撮像装置外へ出力する。   By electrically coupling the respective substrates, the comparison unit 501 of the digital conversion substrate 602 compares the signal charge generated in the photoelectric conversion unit 500 of the photoelectric conversion substrate 601 with the reference signal or the slope signal. Then, the signal processing unit 502 of the signal processing board 603 converts the signal charge into a digital signal by using the comparison result of the comparison unit 501, and outputs the digital signal to the outside of the imaging device.

本発明の撮像装置は、第1の実施形態の画素部を備えており、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することができる。なお、本実施形態では比較部501と信号処理部502を別々の基板に配置したが、それぞれの回路面積に応じて、同じ基板上に配置してもよい。また、光電変換を行うフォトダイオード101の面積を広げる場合、光電変換部500を構成する回路素子をデジタル変換基板602などの光電変換部601以外の基板に配置してもよい。   The imaging device of the present invention includes the pixel unit of the first embodiment, and can increase the dynamic range while reducing the generation of dark current due to interface defects below the gate of the transfer transistor. In the present embodiment, the comparison unit 501 and the signal processing unit 502 are arranged on different substrates, but may be arranged on the same substrate according to their respective circuit areas. When the area of the photodiode 101 that performs photoelectric conversion is increased, a circuit element included in the photoelectric conversion unit 500 may be provided on a substrate other than the photoelectric conversion unit 601 such as the digital conversion substrate 602.

以上、二つの実施形態より本発明に係る撮像装置は、転送トランジスタのゲート下の界面欠陥による暗電流の発生を低減しながら、ダイナミックレンジを拡大することができる。以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。なお、本実施形態の撮像装置では、一つの比較器を用いて電圧VFDと電圧VRまたは電圧VSを比較するが、二つの比較器を備える構成にしてもよい。この場合、一つ目の比較器が電圧VFDと電圧VRを比較し、二つ目の比較器が電圧VFDと電圧VSを比較する。また、一つの比較信号発生回路から基準信号及びスロープ信号を生成したが、それぞれの信号を別々の比較信号発生回路が生成してもよい。   As described above, the imaging device according to the present invention can expand the dynamic range while reducing the occurrence of dark current due to the interface defect below the gate of the transfer transistor. As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist. Note that, in the imaging device of the present embodiment, the voltage VFD is compared with the voltage VR or the voltage VS using one comparator, but a configuration including two comparators may be employed. In this case, the first comparator compares the voltage VFD with the voltage VR, and the second comparator compares the voltage VFD with the voltage VS. Further, although the reference signal and the slope signal are generated from one comparison signal generation circuit, each signal may be generated by a separate comparison signal generation circuit.

100 画素部、101 フォトダイオード、102 転送トランジスタ、
103 フローティングディフュージョン容量、
104 リセットトランジスタ、105 比較器、
106 転送スイッチ、107 リセットスイッチ、
108 出力選択スイッチ、109 比較信号発生回路、
110 信号選択スイッチ、111 飽和カウンタ、
112 クロックカウンタ、113 クロックスイッチ、
114 メモリ部、115 ソースフォロワ
100 pixel unit, 101 photodiode, 102 transfer transistor,
103 floating diffusion capacity,
104 reset transistor, 105 comparator,
106 transfer switch, 107 reset switch,
108 output selection switch, 109 comparison signal generation circuit,
110 signal selection switch, 111 saturation counter,
112 clock counter, 113 clock switch,
114 memory unit, 115 source follower

Claims (6)

輝度に応じて電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した電荷が転送されるフローティングディフュージョン容量と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧をリセットするリセット部と、
前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン容量に転送する転送部と、
比較信号を生成する比較信号生成回路と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力端子と前記転送部及び前記リセット部の入力端子を選択的に接続する接続手段と、
前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧との比較結果が反転するまでをカウントするクロックカウンタと、
前記転送部がOFFされている状態で前記光電変換素子から移動した電荷により変化する前記フローティングディフュージョン容量の電圧と前記比較信号の電圧との比較を行い、その比較結果が反転する回数をカウントする飽和カウンタと、
前記飽和カウンタと前記クロックカウンタがカウントした値を記録するメモリ部とを備え、
前記飽和カウンタを用いて比較結果が反転する回数をカウントし、
前記接続手段は前記出力端子と前記入力端子を接続する第1のモードと、
前記クロックカウンタを用いて比較結果が反転するまでをカウントし、
前記接続手段は前記出力端子と前記入力端子を接続しない第2のモードとを有し、
前記第1のモードでは比較結果が反転することで前記転送部と前記リセット部がONされ、前記光電変換素子および前記フローティングディフュージョン容量がリセットされた後、再び前記転送部と前記リセット部がOFFされることを特徴とする撮像装置。
A photoelectric conversion element that generates a charge according to luminance,
A floating diffusion capacitance to which charges generated in the photoelectric conversion element are transferred,
A reset unit for resetting the voltage of the floating diffusion capacitance,
A transfer unit that transfers the charge generated by the photoelectric conversion element to the floating diffusion capacitance,
A comparison signal generation circuit that generates a comparison signal;
A comparator for comparing the voltage of the floating diffusion capacitor with the voltage of the comparison signal;
Connection means for selectively connecting an output terminal of the comparator and an input terminal of the transfer unit and the reset unit;
A clock counter that counts until the result of comparison between the voltage of the floating diffusion capacitance and the voltage of the comparison signal is inverted,
A comparison is made between the voltage of the floating diffusion capacitor, which changes due to the charge transferred from the photoelectric conversion element, and the voltage of the comparison signal in a state where the transfer unit is turned off, and the saturation is performed to count the number of times the comparison result is inverted. A counter,
A memory unit for recording a value counted by the saturation counter and the clock counter,
Count the number of times the comparison result is inverted using the saturation counter,
A first mode for connecting the output terminal and the input terminal,
Count until the comparison result is inverted using the clock counter,
The connection means has a second mode in which the output terminal and the input terminal are not connected,
In the first mode, the transfer unit and the reset unit are turned on by inverting the comparison result, and after the photoelectric conversion element and the floating diffusion capacitance are reset, the transfer unit and the reset unit are turned off again. An imaging device, comprising:
前記比較信号生成回路は、時間に対して変化しない基準信号と時間に対して変化するスロープ信号を生成し、
前記撮像装置は、前記基準信号または前記スロープ信号のどちらか一方を前記比較信号として前記比較器に供給する信号選択手段と、
前記飽和カウンタまたは前記クロックカウンタのどちらか一方に比較結果を供給する出力選択手段とを有し、
前記第1のモードにおいて、前記信号選択手段は前記基準信号を前記比較器に供給し、前記出力選択手段は比較結果を前記飽和カウンタに供給し、
前記第2のモードにおいて、前記信号選択手段は前記スロープ信号を前記比較器に供給し、
前記出力選択手段は比較結果を前記クロックカウンタに供給することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
The comparison signal generation circuit generates a reference signal that does not change with time and a slope signal that changes with time,
The imaging device, a signal selection unit that supplies one of the reference signal or the slope signal to the comparator as the comparison signal,
Output selection means for supplying a comparison result to one of the saturation counter and the clock counter,
In the first mode, the signal selection unit supplies the reference signal to the comparator, and the output selection unit supplies a comparison result to the saturation counter,
In the second mode, the signal selection means supplies the slope signal to the comparator,
2. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the output selection unit supplies a comparison result to the clock counter.
前記光電変換素子で発生した電荷を排出する電荷排出部を更に有し、
前記第2のモードにおいて、前記電荷排出手段は前記光電変換素子で発生した電荷を排出 することを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。
Further comprising a charge discharging unit for discharging charges generated by the photoelectric conversion element,
3. The imaging device according to claim 1, wherein in the second mode, the charge discharging unit discharges charges generated in the photoelectric conversion element. 4.
前記光電変換素子と前記メモリ部とが別々の基板に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。   The imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element and the memory unit are provided on different substrates. 前記光電変換素子を備える光電変換基板と、
前記比較器を備えるデジタル変換基板と、
前記メモリ部を備える信号処理基板とが、
互いに電気的に接合されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。
A photoelectric conversion substrate including the photoelectric conversion element,
A digital conversion board comprising the comparator,
A signal processing board including the memory unit,
The imaging device according to any one of claims 1 to 4, wherein the imaging device is electrically connected to each other.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置の出力したデジタル信号に補正をするための複数の補正関数を記録する補正関数メモリと、
前記撮像装置の出力したデジタル信号に前記複数の補正関数を用いることで補正を行う補正処理回路を備え、
前記補正処理回路は、前記撮像装置が出力したデジタル信号のレベルに応じて前記補正関数メモリに記録された前記複数の補正関数中から補正に用いる補正関数を選択し、選択した補正関数を用いてデジタル信号を補正することを特徴とする電子機器。
An imaging device according to any one of claims 1 to 5,
A correction function memory for recording a plurality of correction functions for correcting the digital signal output by the imaging device,
A correction processing circuit that performs correction by using the plurality of correction functions on the digital signal output from the imaging device,
The correction processing circuit selects a correction function to be used for correction from among the plurality of correction functions recorded in the correction function memory according to the level of the digital signal output by the imaging device, and uses the selected correction function. An electronic device for correcting a digital signal.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023276899A1 (en) * 2021-06-28 2023-01-05 株式会社ニコン Imaging element and imaging device

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