JP2020136858A - Solid state image pickup device, driving method of the solid state image pickup device, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
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 image sensor, a method for driving the solid-state image sensor, and an electronic device.
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 is put into practical use as a solid-state image sensor (image sensor) using a photoelectric conversion element that detects light and generates an electric charge.
CMOS image sensors are widely applied as 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. There is.
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) for each pixel, and its reading selects a certain line in the pixel array. However, the column parallel output type that reads them out in the column output direction at the same time is the mainstream.
また、列並列出力型CMOSイメージセンサの画素信号読み出し(出力)回路については実に様々なものが提案されている。
それらの中で、その最も進んだ回路のひとつが、列(カラム)毎にアナログ−デジタル変換器(ADC(Analog digital converter))を備え、画素信号をデジタル信号として取り出す回路である(たとえば特許文献1,2参照)。
Further, various kinds of pixel signal readout (output) circuits of the column parallel output type CMOS image sensor have been proposed.
Among them, one of the most advanced circuits is a circuit equipped with an analog-to-digital converter (ADC (Analog digital converter)) for each column and extracting a pixel signal as a digital signal (for example, Patent Documents). See 1 and 2).
この列並列ADC搭載CMOSイメージセンサ(カラムAD方式CMOSイメージセンサ)では、比較器(コンパレータ)はいわゆるRAMP波と画素信号の比較をして、後段のカウンタでデジタルCDSを行うことによりAD変換を行う。 In this column-parallel ADC-equipped CMOS image sensor (column AD system CMOS image sensor), the comparator (comparator) compares the so-called RAMP wave and the pixel signal, and performs AD conversion by performing digital CDS with the counter in the subsequent stage. ..
しかしながら、この種のCMOSイメージセンサは、信号の高速転送が可能であるが、グローバルシャッタ読み出しができないという不利益がある。 However, although this type of CMOS image sensor is capable of high-speed signal transfer, it has the disadvantage of not being able to read the global shutter.
これに対して、各画素に比較器を含むADC(さらにはメモリ部)を配置して、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をも実現可能にするデジタル画素(ピクセル)センサが提案されている(たとえば特許文献3,4参照)。
On the other hand, an ADC (furthermore, a memory unit) including a comparator is arranged in each pixel, and a global shutter that executes exposure start and exposure end at the same timing for all pixels in the pixel array unit is provided. Digital pixel sensors have been proposed (see, for example,
ところが、上述した従来のデジタル画素センサでは、AD変換の比較処理中に、不規則な強い光がフォトダイオードPDに入射すると、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDに電荷がオーバーフローして出力ノードであるフローティングディフュージョンFDのレベルが変動してしまい、正常なAD変換処理を実現できないおそれがある。 However, in the conventional digital pixel sensor described above, when irregular strong light is incident on the photodiode PD during the AD conversion comparison process, the charge overflows from the photodiode PD to the floating diffusion FD, which is a floating output node. The level of the diffusion FD fluctuates, and there is a possibility that normal AD conversion processing cannot be realized.
また、上述した従来のデジタル画素センサを備えたCMOSイメージセンサでは、グローバルシャッタ機能を実現することは可能であるが、たとえば蓄積期間にフォトダイオードから溢れ出る電荷をリアルタイムに利用していないことから、広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化には限界がある。 Further, although it is possible to realize the global shutter function in the CMOS image sensor equipped with the above-mentioned conventional digital pixel sensor, for example, since the charge overflowing from the photodiode during the storage period is not used in real time, it is possible to realize the global shutter function. There is a limit to wide dynamic range and high frame rate.
また、CMOSイメージセンサの重要な性能指標にランダムノイズがあり、主なランダムノイズ源として、画素とAD変換器があることが知られている。
一般的には、ランダムノイズ低減手法として、トランジスタサイズを大きくすることでフリッカノイズ(flicker noise)を低減する、もしくは比較器出力に容量を付加し、帯域を落とすことでCDSによるノイズのフィルタ効果を狙う方法が知られている。
しかし、それぞれの手法では、面積が増大する、容量増により比較器の反転遅延が悪化し、撮像素子のフレームレートが上げられないという不利益がある。
Random noise is an important performance index of CMOS image sensors, and it is known that pixels and AD converters are the main sources of random noise.
Generally, as a random noise reduction method, the flicker noise is reduced by increasing the transistor size, or a capacitance is added to the comparator output to reduce the band to reduce the noise filtering effect by CDS. The method of aiming is known.
However, each method has a disadvantage that the inversion delay of the comparator deteriorates due to the increase in area and capacity, and the frame rate of the image sensor cannot be increased.
また、各画素に比較器を含むADC(さらにはメモリ部)を配置することから、有効画素領域を最大限に拡大することは困難で、コストあたりの価値を最大限に高めることが困難である。 Further, since the ADC (furthermore, the memory unit) including the comparator is arranged in each pixel, it is difficult to maximize the effective pixel area, and it is difficult to maximize the value per cost. ..
本発明は、AD変換の比較処理中に、不規則な強い光が光電変換素子に入射したとしてもFDレベルが変動することを防止し、正常なAD変換処理を実現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。
また、本発明は、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高め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。
The present invention prevents the FD level from fluctuating even if irregular strong light is incident on the photoelectric conversion element during the AD conversion comparison process, and solid-state imaging capable of realizing a normal AD conversion process. The purpose of the present invention is to provide an apparatus, a method for driving a solid-state image sensor, and an electronic device.
Further, the present invention can substantially realize a wide dynamic range and a high frame rate, can reduce noise, can maximize the effective pixel area, and is value per cost. It is an object of the present invention to provide a solid-state image sensor, a method for driving the solid-state image sensor, and an electronic device capable of maximizing the above.
本発明の第1の観点の固体撮像装置は、光電変換を行う画素が配置された画素部と、前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を含み、前記画素は、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前記蓄積期間後の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出力ノードと、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、前記比較器の比較結果信号に応じたデータを記憶するメモリ部と、を含み、前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行い、前記第2の比較処理中に不規則な強い光が光電変換素子に入射した場合に、前記光電変換素子から不要な電荷を前記出力ノード領域外に放出可能な電荷放出部を含む。 The solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a pixel unit in which pixels for photoelectric conversion are arranged and a readout unit for reading a pixel signal from the pixel of the pixel unit, and the pixel has an accumulation period. A photoelectric conversion element that stores the charge generated by the photoelectric conversion, a transfer element that can transfer the charge accumulated in the photoelectric conversion element to the transfer period after the storage period, and the photoelectric conversion element that stores the charge accumulated in the photoelectric conversion element through the transfer element. An output node to which the transferred charge is transferred, an output buffer unit that converts the charge of the output node into a voltage signal according to the amount of charge and outputs the converted voltage signal, and a voltage signal and a reference voltage by the output buffer unit. The comparer includes a comparer that performs a comparison process that compares with and outputs a digitized comparison result signal, and a memory unit that stores data corresponding to the comparison result signal of the comparer. Under the control of the unit, a first comparison process for outputting a digitized first comparison result signal for the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the storage period, and A second comparison process for outputting a second digitized comparison result signal with respect to the voltage signal corresponding to the accumulated charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the storage period. This includes a charge emitting unit capable of discharging unnecessary charge from the photoelectric conversion element to the outside of the output node region when irregularly strong light is incident on the photoelectric conversion element during the second comparison process.
本発明の第2の観点は、光電変換を行う画素が配置された画素部と、前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、前記画素は、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前記蓄積期間後の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出力ノードと、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含む固体撮像装置の駆動方法であって、前記画素の画素信号を読み出す場合、前記比較器において、前記読み出し部の制御の下、前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理を行い、前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理を行い、前記第2の比較処理中に不規則な強い光が光電変換素子に入射した場合に、前記光電変換素子から不要な電荷を前記出力ノード領域外に放出する。 A second aspect of the present invention includes a pixel unit in which pixels for performing photoelectric conversion are arranged, and a reading unit for reading a pixel signal from the pixels of the pixel unit, and the pixels are photoelectrically converted during the storage period. A photoelectric conversion element that accumulates the charge generated by the above, a transfer element that can transfer the charge accumulated in the photoelectric conversion element to a transfer period after the accumulation period, and a charge accumulated in the photoelectric conversion element through the transfer element. Compare the output node to which is transferred, the output buffer unit that converts the charge of the output node into a voltage signal according to the amount of charge, and outputs the converted voltage signal, and the voltage signal and reference voltage by the output buffer unit. A method of driving a solid-state imaging device that includes a comparer that performs a comparison process that outputs a digitized comparison result signal. When the pixel signal of the pixel is read out, the comparer controls the reading unit. Under the above, a first comparison process for outputting a digitized first comparison result signal with respect to the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the storage period is performed, and the storage is performed. During the transfer period after the period, a second comparison process for outputting a digitized second comparison result signal with respect to the voltage signal corresponding to the accumulated charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node is performed, and the first comparison process is performed. When irregular strong light is incident on the photoelectric conversion element during the comparison process of No. 2, unnecessary charge is emitted from the photoelectric conversion element to the outside of the output node region.
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、光電変換を行う画素が配置された画素部と、前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を含み、前記画素は、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前記蓄積期間後の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出力ノードと、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含み、前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行い、前記第2の比較処理中に不規則な強い光が光電変換素子に入射した場合に、前記光電変換素子から不要な電荷を前記出力ノード領域外に放出可能な電荷放出部を含む。 The electronic device according to the third aspect of the present invention includes a solid-state imaging device and an optical system for forming a subject image on the solid-state imaging device, and the solid-state imaging device is provided with pixels for photoelectric conversion. A photoelectric conversion element that stores a charge generated by photoelectric conversion during the storage period and a photoelectric conversion element that stores the charge generated by the photoelectric conversion are included in the pixel unit and a read unit that reads a pixel signal from the pixel of the pixel unit. A transfer element capable of transferring the charged charge during the transfer period after the accumulation period, an output node to which the charge accumulated by the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element, and a charge of the output node according to the amount of charge. An output buffer unit that converts to a voltage signal and outputs the converted voltage signal, and a comparer that compares the voltage signal by the output buffer unit with the reference voltage and outputs a digitized comparison result signal. , The comparer, under the control of the readout unit, digitizes the first comparison result for the voltage signal according to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the storage period. A first comparison process for outputting a signal and a second digitized comparison result signal for the voltage signal according to the accumulated charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the accumulation period. When an irregular strong light is incident on the photoelectric conversion element during the second comparison processing, an unnecessary charge is removed from the photoelectric conversion element outside the output node region. Includes a charge release unit that can be released into.
本発明によれば、AD変換の比較処理中に、不規則な強い光が光電変換素子に入射したとしてもFDレベルが変動することを防止し、正常なAD変換処理を実現することが可能となる。
また、本発明によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能となる。
According to the present invention, it is possible to prevent the FD level from fluctuating even if irregular strong light is incident on the photoelectric conversion element during the AD conversion comparison process, and to realize a normal AD conversion process. Become.
Further, according to the present invention, it is possible to substantially realize a wide dynamic range and a high frame rate, reduce noise, maximize the effective pixel area, and per cost. It is possible to maximize the value of.
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 in association with 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、たとえば画素としてデジタル画素(Digital Pixel)を含むCMOSイメージセンサにより構成される。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a solid-state image sensor according to the first embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the solid-
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、出力回路40、およびタイミング制御回路50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、出力回路40、およびタイミング制御回路50により画素信号の読み出し部60が構成される。
As shown in FIG. 1, the solid-
Among these components, for example, the
本第1の実施形態において、固体撮像装置10は、画素部20において、デジタル画素として光電変換読み出し部、AD(アナログデジタル)変換部、およびメモリ部を含み、グローバルシャッタの動作機能を持つ、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、後で詳述するように、各デジタル画素DPがAD変換機能を有しており、AD変換部は、光電変換読み出し部により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器(コンパレータ)を有している。
比較器は、読み出し部60の制御の下、蓄積期間に光電変換素子から出力ノード(フローティングディフュージョン)に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、蓄積期間後の転送期間に出力ノードに転送された光電変換素子の蓄積電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行う。
In the first embodiment, the solid-
In the solid-
Under the control of the
そして、本実施形態においては、第2の比較処理中に不規則な強い光が光電変換素子に入射したとしても、光電変換素子から不要な電荷をフローティングディフュージョンFD領域外に放出し、光電変換素子からフローティングディフュージョンFDに電荷がオーバーフローしてFDレベルが変動することを防止するシャッタゲート(SG)を有している。
これにより、第2の比較処理中に、不規則な強い光が光電変換素子に入射したとしてもFDレベルが変動することを防止し、正常なAD変換処理を実現可能に構成されている。
Then, in the present embodiment, even if irregular strong light is incident on the photoelectric conversion element during the second comparison process, unnecessary charges are emitted from the photoelectric conversion element to the outside of the floating diffusion FD region, and the photoelectric conversion element is used. It has a shutter gate (SG) that prevents the charge from overflowing into the floating diffusion FD and fluctuating the FD level.
As a result, even if irregularly strong light is incident on the photoelectric conversion element during the second comparison processing, the FD level is prevented from fluctuating, and a normal AD conversion processing can be realized.
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およびデジタル画素の構成および機能、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60の積層構造等について詳述する。
Hereinafter, the outline of the configuration and function of each part of the solid-
(画素部20およびデジタル画素200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の画素部のデジタル画素アレイの一例を示す図である。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置10の画素の一例を示す回路図である。
(Structure of
FIG. 2 is a diagram showing an example of a digital pixel array of the pixel portion of the solid-
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of pixels of the solid-
画素部20は、図2に示すように、複数のデジタル画素200がN行M列の行列状(マトリクス状)に配列されている。
なお、図2においては、図面の簡単化のため、9つのデジタル画素200が3行3列の行列状(M=3、N=3のマトリクス状)に配置されている例が示されている。
As shown in FIG. 2, the
Note that FIG. 2 shows an example in which nine
本第1の実施形態に係るデジタル画素200は、光電変換読み出し部(図2ではPDと表記)210、AD変換部(図2ではADCと表記)220、およびメモリ部(図2ではMEMと表記)230を含んで構成されている。
本第1の実施形態の画素部20は、後で詳述するように、第1の基板110と第2の基板120の積層型のCMOSイメージセンサとして構成されるが、本例では、図3に示すように、第1の基板110に光電変換読み出し部210が形成され、第2の基板120にAD変換部220およびメモリ部230が形成されている。
The
As will be described in detail later, the
デジタル画素200の光電変換読み出し部210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210は、たとえば光電変換素子であるフォトダイオードPD1を有する。
このフォトダイオードPD1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、電流源素子としてのカレントトランジスタIC1−Tr、シャッターゲート素子としてのシャッターゲートトランジスタSG1−Tr、出力ノードND1としてのフローティングディフュージョンFD1,および読み出しノードND2をそれぞれ一つずつ有する。
このように、第1の実施形態に係るデジタル画素200の光電変換読み出し部210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、カレントトランジスタIC1−Tr、およびシャッターゲートトランジスタSG1−Trの5トランジスタ(5Tr)を含んで構成されている。
The photoelectric
Specifically, the photoelectric
For this photodiode PD1, 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, and a current transistor IC1-Tr as a current source element , A shutter gate transistor SG1-Tr as a shutter gate element, a floating diffusion FD1 as an output node ND1, and a read node ND2, respectively.
As described above, the photoelectric
そして、本第1の実施形態においては、ソースフォロワトランジスタSF1−Tr、カレントトランジスタIC1−Tr、および読み出しノードND2を含んで出力バッファ部211が構成されている。
Then, in the first embodiment, the
本第1の実施形態に係る光電変換読み出し部210は、出力バッファ部211の読み出しノードND2がAD変換部220の入力部に接続されている。
光電変換読み出し部210は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号VSLをAD変換部220に出力する。
In the photoelectric
The photoelectric
より具体的には、光電変換読み出し部210は、AD変換部220の第1の比較処理期間PCMP1において、蓄積期間PIに光電変換素子であるフォトダイオードPD1から出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSLを出力する。
More specifically, in the first comparison processing period PCMP1 of the
さらに、光電変換読み出し部210は、AD変換部220の第2の比較処理期間PCMP2において、蓄積期間PI後の転送期間PTに出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に転送されたフォトダイオードPD1の積電荷に応じた電圧信号VSLを出力する。
光電変換読み出し部210は、第2の比較処理期間PCMP2において、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)(VRST)および読み出し信号(信号電圧)(VSIG)をAD変換部220に出力する。
Further, the photoelectric
The photoelectric
フォトダイオードPD1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 PD1 generates and accumulates a signal charge (here, an electron) in an amount corresponding to the amount of incident light.
Hereinafter, the case where the signal charge is an electron and each transistor is an n-type transistor will be described, but the signal charge may be a hole or each transistor may be a p-type transistor.
The present embodiment is also effective when each transistor is shared between a plurality of photodiodes and transfer transistors.
各デジタル画素200において、フォトダイオード(PD)としては、埋め込み型フォトダイオード(PPD)が用いられる。
フォトダイオード(PD)を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード(PPD)では、フォトダイオード(PD)の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
In each
Since surface levels due to defects such as dangling bonds exist on the surface of the substrate on which the photodiode (PD) is formed, a large amount of electric charge (dark current) is generated by the thermal energy, and the correct signal cannot be read.
In the embedded photodiode (PPD), by embedding the charge storage portion of the photodiode (PD) in the substrate, it is possible to reduce the mixing of dark current into the signal.
光電変換読み出し部210の転送トランジスタTG1−Trは、フォトダイオードPD1とフローティングディフュージョンFD1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PTに選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD1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FD1に転送する。
なお、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1が所定のリセット電位にリセットされた後、転送トランジスタTG1−Trは、制御信号TGがロー(L)レベルの非導通状態となり、フォトダイオードPD1は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が転送トランジスタTG1―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンFD1に溢れ出す。
The transfer transistor TG1-Tr of the photoelectric
In the transfer transistor TG1-Tr, the control signal TG is selected for the high (H) level transfer period PT and becomes conductive, and the electric charge (electrons) converted by photoelectric conversion by the photodiode PD1 and accumulated is transferred to the floating diffusion FD1.
After the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset to a predetermined reset potential, the control signal TG of the transfer transistor TG1-Tr becomes a low (L) level non-conducting state, and the photodiode PD1 has a storage period PI. However, at this time, if the intensity (amount) of the incident light is very high, the charge exceeding the saturated charge amount overflows into the floating diffusion FD1 as an overflow charge through the overflow path under the transfer transistor TG1-Tr.
リセットトランジスタRST1−Trは、電源電圧(電源電位という場合もある)VDDの電源線VddとフローティングディフュージョンFD1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FD1を電源電圧VDDの電源線Vddの電位にリセットする。
The reset transistor RST1-Tr is connected between the power supply line Vdd of the power supply voltage (sometimes referred to as the power supply potential) VDD and the floating diffusion FD1, and is controlled by the control signal RST applied to the gate through the control line.
In the reset transistor RST1-Tr, the control signal RST is selected during the H level reset period and becomes conductive, and the floating diffusion FD1 is reset to the potential of the power supply line Vdd of the power supply voltage VDD.
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は、ソースが読み出しノードND2に接続され、ドレイン側が電源線Vddに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンFD1に接続されている。
読み出しノードND2と基準電位VSS(たとえばGND)の間に電流源素子としてのカレントトランジスタIC1−Trのドレイン、ソースが接続されている。カレントトランジスタIC1−Trのゲートは制御信号VBNPIXの供給ラインに接続されている。
そして、読み出しノードND2とAD変換部220の入力部間の信号線LSGN1は、電流源素子としてのカレントトランジスタIC1−Trにより駆動される。
In the source follower transistor SF1-Tr as the source follower element, the source is connected to the read node ND2, the drain side is connected to the power supply line Vdd, and the gate is connected to the floating diffusion FD1.
The drain and source of the current transistor IC1-Tr as a current source element are connected between the read node ND2 and the reference potential VSS (for example, GND). The gate of the current transistor IC1-Tr is connected to the supply line of the control signal VBNPIX.
Then, the signal line LSGN1 between the read node ND2 and the input unit of the
シャッターゲート素子としてのシャッターゲートトランジスタSG1−Trは、AD変換の第2の比較処理PCMP2中に不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射した場合に、フォトダイオードPD1から不要な電荷を出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1領域外に放出可能な電荷放出部212の一形態として示されている。
The shutter gate transistor SG1-Tr as a shutter gate element uses an unnecessary charge from the photodiode PD1 as an output node when irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison process PCMP2 of AD conversion. It is shown as a form of a
シャッターゲートトランジスタSG1−TrはフォトダイオードPD1の電荷蓄積部と所定の固定電位VAAPIXにソース、ドレインが接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号SGにより制御される。
シャッターゲートトランジスタSG1−Trは、制御信号SG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PD1の電荷蓄積部と所定の固定電位VAAPIXA間にアンチブルーミングパスとしてのエミッタフローを形成し、不要な電荷を固定電位VAAPIXに放出させる。
The shutter gate transistor SG1-Tr has a source and a drain connected to a charge storage portion of the photodiode PD1 and a predetermined fixed potential VAAPIX, and is controlled by a control signal SG applied to the gate through a control line.
The shutter gate transistor SG1-Tr is in a conductive state when the control signal SG is selected during the H level period, and forms an emitter flow as an anti-blooming path between the charge storage portion of the photodiode PD1 and the predetermined fixed potential VAAPIXA. Unwanted charge is released to the fixed potential VAAPIX.
図4は、本発明の第1の実施形態に係るデジタル画素の主要部である電荷放出部を有する電荷蓄積転送系の構成例を示す簡略断面図および電荷放出部を持たない比較例の電荷蓄積転送系の構成例を示す簡略断面図である。
図4(A)が本実施形態に係るデジタル画素の主要部である電荷放出部を有する電荷蓄積転送系の構成例を示す簡略断面図であり、図4(B)が電荷放出部を持たない比較例の電荷蓄積転送系の構成例を示す簡略断面図である。
図5は、本発明の第1の実施形態に係るデジタル画素の主要部である蓄積キャパシタを含む電荷蓄積転送系の構成例を簡略上面図である。
FIG. 4 is a simplified cross-sectional view showing a configuration example of a charge storage transfer system having a charge emission part which is a main part of a digital pixel according to the first embodiment of the present invention, and a charge storage of a comparative example having no charge emission part. It is a simplified sectional view which shows the structural example of the transfer system.
FIG. 4 (A) is a simplified cross-sectional view showing a configuration example of a charge storage transfer system having a charge emission portion which is a main portion of the digital pixel according to the present embodiment, and FIG. 4 (B) does not have a charge emission portion. It is a simplified cross-sectional view which shows the structural example of the charge accumulation transfer system of the comparative example.
FIG. 5 is a simplified top view of a configuration example of a charge storage transfer system including a storage capacitor, which is a main part of a digital pixel according to the first embodiment of the present invention.
各デジタル画素セルPXLCは、光Lが照射される第1基板面1101側(たとえば裏面側)と、この第1基板面1101側と対向する側の第2基板面1102側とを有する基板(本例では第1の基板110)に形成され、分離層SPLにより分離されている。
そして、図4(A)の本実施形態に係るデジタル画素セルPLXCは、光電変換読み出し部210を形成するフォトダイオードPD1、転送トランジスタTG1−Tr、フローティングディフュージョンFD1、シャッターゲートトランジスタSG1−Tr、分離層SPL、さらには図示しないカラーフィルタ部およびマイクロレンズを含んで構成されている。
Each digital pixel cell PXLC has a substrate (this) having a
The digital pixel cell PLXC according to the present embodiment of FIG. 4A has a photodiode PD1 forming a photoelectric
なお、図4のデジタル画素は裏面照射型を一例として示しているが、本発明は、表面照射型であってもよい。 Although the digital pixel in FIG. 4 shows a back-illuminated type as an example, the present invention may be a front-illuminated type.
(フォトダイオードの構成)
フォトダイオードPD1は、第1基板面1101側と、第1基板面1101側と対向する側の第2基板面1102側とを有する半導体基板の第2導電型(本実施形態ではp型)のエピタキシャル層(p−epi)2101に対して埋め込むように形成された第1導電型(本実施形態ではn型)半導体層(本実施形態ではn層)2102を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。
フォトダイオードPD1の基板の法線に直交する方向(X方向)における側部には、図中の両側には、エピタキシャル層(p−epi)2101R、2101Lを介して第2の導電型(本実施形態ではp型)分離層SPLが形成されている。
(Photodiode configuration)
The photodiode PD1 is an epitaxial of a second conductive type (p type in this embodiment) of a semiconductor substrate having a
On the side portion of the photodiode PD1 in the direction orthogonal to the normal of the substrate (X direction), on both sides in the drawing, a second conductive type (this embodiment) is provided via an epitaxial layer (p-epi) 2101R and 2101L. In the form, a p-type) separation layer SPL is formed.
このように、本実施形態では、各デジタル画素セルPXLCにおいて、フォトダイオード(PD)としては、埋め込み型フォトダイオード(PPD)が用いられる。
フォトダイオード(PD)を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード(PPD)では、フォトダイオード(PD)の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the embedded photodiode (PPD) is used as the photodiode (PD) in each digital pixel cell PXLC.
Since surface levels due to defects such as dangling bonds exist on the surface of the substrate on which the photodiode (PD) is formed, a large amount of electric charge (dark current) is generated by the thermal energy, and the correct signal cannot be read.
In the embedded photodiode (PPD), by embedding the charge storage portion of the photodiode (PD) in the substrate, it is possible to reduce the mixing of dark current into the signal.
図4のフォトダイオードPD1においては、n層(第1導電型半導体層)2102の第2基板面1102側にp+層2103が形成されている。
なお、エピタキシャル層(p−epi)2101の光入射側には、カラーフィルタ部が形成され、さらに、カラーフィルタ部の光入射射側であって、フォトダイオードPD1および分離層SPLの一部に対応するようにマイクロレンズが形成されている。
In the photodiode PD1 of FIG. 4, the p +
A color filter portion is formed on the light incident side of the epitaxial layer (p-epi) 2101, and further corresponds to a part of the photodiode PD1 and the separation layer SPL on the light incident side of the color filter portion. The microlens is formed so as to do so.
(X方向(列方向)における分離層の構成)
図4のX方向(列方向)右側におけるp型分離層2104(SPL1)の第2の基板面1102側にはフローティングディフュージョンFD1となるn+層2105が形成され
図4のX方向(列方向)左側におけるp型分離層2106(SPL2)の第2の基板面1102側にはシャッターゲートトランジスTSG1−Trのドレインとなるとなるn+層2107が形成されている。
そして、第2基板面1102側のエピタキシャル層(p−epi)2101R上に、ゲート絶縁膜を介して転送トランジスタTG1−Trのゲート電極2108が形成されている。
転送トランジスタTG1−Tr下にはフォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFD1にいたるオーバーフローパスOVPが形成される。
一方、第2基板面1102側のエピタキシャル層(p−epi)2101L上に、ゲート絶縁膜を介してシャッターゲートトランジスタSG1−Trのゲート電極2109が形成されている。
シャッターゲートトランジスタSG1−Tr下にはフォトダイオードPD1から+層2107にいたるエミッタフローパスEFPが形成される。
(Structure of separation layer in X direction (column direction))
An n +
Then, the
An overflow path OVP from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1 is formed under the transfer transistor TG1-Tr.
On the other hand, the
An emitter flow path EFP from the photodiode PD1 to the +
このような構造において、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が転送トランジスタTG1―Tr下のオーバーフローパスOVPを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンFD1に溢れ出す。
比較器221の第1の比較処理CMPR1ではオーバーフロー電荷が使用される。
In such a structure, when the intensity (amount) of the incident light is very high, the charge exceeding the saturated charge amount overflows to the floating diffusion FD1 as an overflow charge through the overflow path OVP under the transfer transistor TG1-Tr.
The overflow charge is used in the first comparison process CMPR1 of the
これに対して、AD変換の第2の比較処理中に、不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射すると、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFD1に電荷がオーバーフローして出力ノードであるフローティングディフュージョンFDのレベルが変動してしまい、正常なAD変換処理を実現できないおそれがある。
そこで、本実施形態においては、第2の比較処理中に不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射したとしても、フォトダイオードPD1から不要な電荷をフローティングディフュージョンFD領域外に放出し、フォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFD1に電荷がオーバーフローしてFDレベルが変動することを防止するシャッタゲートトランジスタSG1−Trを有している。
これにより、第2の比較処理中に、不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射したとしてもFDレベルが変動することを防止し、正常なAD変換処理を実現可能に構成されている。
On the other hand, when irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison process of the AD conversion, the electric charge overflows from the photodiode PD to the floating diffusion FD1 of the floating diffusion FD which is the output node. The level may fluctuate and normal AD conversion processing may not be realized.
Therefore, in the present embodiment, even if irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison process, unnecessary charges are emitted from the photodiode PD1 to the outside of the floating diffusion FD region, and the photodiode PD1 It has a shutter gate transistor SG1-Tr that prevents the charge from overflowing to the floating diffusion FD1 and fluctuating the FD level.
As a result, even if irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison process, the FD level is prevented from fluctuating, and a normal AD conversion process can be realized.
本実施形態においては、読み出し部60の制御の下、第1の比較処理CMPR1および第2の比較処理CMPR2の状況を踏まえて、転送トランジスタTG1−TrとシャッターゲートトランジスタSG1−Trのポテンシャルを以下のように管理している。
In the present embodiment, under the control of the
図6(A)〜(C)は、本第1の実施形態の光電変換読み出し部における転送トランジスタTG1−TrとシャッターゲートトランジスタSG1−Trのポテンシャルの管理状態を説明するための図である。
図6(A)がオーバーフロー電荷を利用する場合のポテンシャルの状態を示し、図6(B)がシャッターゲートトランジスタSG1−Trによる電荷放出時のポテンシャルの状態を示し、図6(C)が転送トランジスタTG1−Trにより蓄積電荷を転送する場合のポテンシャルの状態を示している。
6 (A) to 6 (C) are diagrams for explaining a management state of the potentials of the transfer transistor TG1-Tr and the shutter gate transistor SG1-Tr in the photoelectric conversion reading unit of the first embodiment.
FIG. 6 (A) shows the potential state when the overflow charge is used, FIG. 6 (B) shows the potential state when the charge is released by the shutter gate transistor SG1-Tr, and FIG. 6 (C) shows the transfer transistor. The state of the potential when the accumulated charge is transferred by TG1-Tr is shown.
オーバーフロー電荷を利用する場合、転送トランジスタTG1−TrとシャッターゲートトランジスタSG1−Trともに、ゲート電位が非導通状態(オフ)となるポテンシャルに保持される。
このとき、第1の比較処理を保証するため、転送トランジスタTG1−Trのオフ電位よりシャッターゲートトランジスタSG1−Trのオフ電位が低く設定される。
When the overflow charge is used, both the transfer transistor TG1-Tr and the shutter gate transistor SG1-Tr are held at the potential where the gate potential becomes non-conducting (off).
At this time, in order to guarantee the first comparison process, the off potential of the shutter gate transistor SG1-Tr is set lower than the off potential of the transfer transistor TG1-Tr.
シャッターゲートトランジスタSG1−Trによる電荷放出時は、シャッターゲートトランジスタSG1−Trが導通状態(オン)、転送トランジスタTG1−Trが非導通状態(オフ)となるポテンシャルにゲート電位が保持される。 When the charge is released by the shutter gate transistor SG1-Tr, the gate potential is held at the potential where the shutter gate transistor SG1-Tr is in a conductive state (on) and the transfer transistor TG1-Tr is in a non-conducting state (off).
転送トランジスタTG1−Trにより蓄積電荷を転送する場合、転送トランジスタTG1−Trが導通状態(オン)、シャッターゲートトランジスタSG1−Trが非導通状態(オフ)となるポテンシャルにゲート電位が保持される。 When the accumulated charge is transferred by the transfer transistor TG1-Tr, the gate potential is held at the potential where the transfer transistor TG1-Tr is in a conductive state (on) and the shutter gate transistor SG1-Tr is in a non-conducting state (off).
本実施形態においては、読み出し部60の制御の下、第2の比較処理CMPR2において、転送期間に転送トランジスタTG1−Trを導通状態に保持し、シャッターゲートトランジスタSG1−Trを非導通状態に保持し、転送期間終了に伴い転送トランジスタTG1−Trを非導通状態に切り替えた転送期間後の所定期間にシャッターゲートトランジスタSG1−Trを導通状態に保持する。
In the present embodiment, under the control of the
デジタル画素200のAD変換部220は、光電変換読み出し部210により出力されるアナログの電圧信号VSLを、所定の傾きを持たせて変化させたランプ波形または固定電圧の参照電圧VREFと比較して、デジタル信号に変換する機能する。
The
AD変換部220は、図3に示すように、比較器(COMP)221、カウンタ(CNT)222、入力側結合キャパシタC221、出力側の負荷キャパシタC222、およびリセットスイッチSW−RSTを含んで構成されている。
As shown in FIG. 3, the
比較器221は、第1の入力端子としての反転入力端子(−)に、光電変換読み出し部210の出力バッファ部211から信号線LSGN1に出力された電圧信号VSLが供給され、第2の入力端子としての非反転入力端子(+)に参照電圧VREFが供給され、電圧信号VSTと参照電圧VREFとを比較し、デジタル化した比較結果信号SCMPを出力する比較処理を行う.
In the
比較器221は、第1の入力端子としての反転入力端子(−)に結合キャパシタC221が接続されており、第1の基板110側の光電変換読み出し部210の出力バッファ部211と第2の基板120側のAD変換部220の比較器221の入力部をAC結合することにより、低ノイズ化を図り、低照度時に高SNRを実現可能なように構成されている。
In the
また、比較器221は、出力端子と第1の入力端子としての反転入力端子(−)との間にリセットスイッチSW−RSTが接続され、出力端子と基準電位VSSとの間に負荷キャパシタC222が接続されている。
Further, in the
基本的に、AD変換部220においては、光電変換読み出し部210の出力バッファ部211から信号線LSGN1に読み出されたアナログ信号(電位VSL)は比較器221で参照電圧VREF、たとえばある傾きを持った線形に変化するスロープ波形であるランプ信号RAMPと比較される。
このとき、比較器221と同様に列毎に配置されたカウンタ222が動作しており、ランプ波形のあるランプ信号RAMPとカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで電圧信号VSLをデジタル信号に変換する。
基本的に、AD変換部220は、参照電圧VREF(たとえばランプ信号RAMP)の変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
そして、アナログ信号VSLとランプ信号RAMP(参照電圧VREF)が交わったとき、比較器221の出力が反転し、カウンタ222の入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックをカウンタ222に入力し、そのときのカウンタ222の値(データ)がメモリ部230に記憶されてAD変換を完了させる。
以上のAD変換期間終了後、各デジタル画素200のメモリ部230に格納されたデータ(信号)は出力回路40から図示しない信号処理回路に出力され、所定の信号処理により2次元画像が生成される。
Basically, in the
At this time, the
Basically, the
Then, when the analog signal VSL and the lamp signal RAMP (reference voltage VREF) intersect, the output of the
After the end of the above AD conversion period, the data (signal) stored in the
(比較器221のおける第1の比較処理および第2の比較処理)
そして、本第1の実施形態のAD変換部220の比較器221は、画素信号の読み出し期間に次の2つの第1の比較処理および第2の比較処理を行うように、読み出し部60により駆動制御される。
(First comparison process and second comparison process in the comparator 221)
Then, the
第1の比較処理CMPR1において、比較器221は、読み出し部60の制御の下、蓄積期間PIに光電変換素子であるフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSL1に対するデジタル化した第1の比較結果信号SCMP1を出力する。
なお、この第1の比較処理CMPR1の動作を、タイムスタンプADCモードの動作ともいう。
In the first comparison process CMPR1, the
The operation of the first comparison process CMPR1 is also referred to as the operation of the time stamp ADC mode.
第2の比較処理CMPR2において、比較器221は、読み出し部60の制御の下、蓄積期間PI後の転送期間PTに出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に転送されたフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2(VSIG)に対するデジタル化した第2の比較結果信号SCMP2を出力する。
実際には、第2の比較処理CMPR2において、蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2(VSIG)に対するデジタル化の前に、リセット時のフローティングディフュージョンFD1のリセット電圧に応じた電圧信号VSL2(VRST)に対するデジタル化を行う。
なお、この第2の比較処理CMPR2の動作を、リニアADCモードの動作ともいう。
In the second comparison process CMPR2, the
Actually, in the second comparison processing CMPR2, before digitizing the voltage signal VSL2 (VSIG) according to the accumulated charge, digitalizing the voltage signal VSL2 (VRST) corresponding to the reset voltage of the floating diffusion FD1 at the time of reset. To reset.
The operation of the second comparison process CMPR2 is also referred to as an operation in the linear ADC mode.
なお、本実施形態において、基本的に、蓄積期間PIは、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされてから、転送トランジスタTG1−Trが導通状態に切り替えられて転送期間PTが開始されるまでの期間である。
第1の比較処理CMPR1の期間PCMPR1は、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされてから、転送期間PTが開始される前に、フローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされるまでの期間である。
第2の比較処理CMPR2の期間PCMPR2は、フローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされた後の期間であって、転送期間PT後の期間を含む期間である。
In the present embodiment, basically, in the storage period PI, after the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset to the reset level, the transfer transistor TG1-Tr is switched to the conductive state and the transfer period PT is started. It is the period until the end.
The period PCMPR1 of the first comparison process CMPR1 is the period from when the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset to the reset level until the floating diffusion FD1 is reset to the reset level before the transfer period PT is started. Is.
The period PCMPR2 of the second comparison process CMPR2 is a period after the floating diffusion FD1 is reset to the reset level, and is a period including a period after the transfer period PT.
ここで、第1の比較処理CMPR1についてさらに詳述する。
図7は、本実施形態に係る比較器221の第1の比較処理CMPR1を説明するための図である。
図7において、横軸が時間を示し、縦軸が出力ノードであるフローティングディフュージョンFD1の電圧レベルVFDを示している。
Here, the first comparison process CMPR1 will be described in more detail.
FIG. 7 is a diagram for explaining the first comparison processing CMPR1 of the
In FIG. 7, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the voltage level VFD of the floating diffusion FD1 which is an output node.
フローティングディフュージョンFD1の電圧レベルVFDは、リセットレベルのときが電荷量が最も少なく電圧レベルVFDは最も高いレベルVFDiniとなる。
一方、飽和状態のときが電荷量が多く、電圧レベルVFDは低いレベルVFDsatとなる。
このような条件に従って、比較器221の参照電圧VREF1を、飽和状態となる手前の非飽和状態時のレベルに固定した電圧VREFsatに設定する、あるいはリセットレベル時の電圧レベルVREFrstから電圧レベルVREFsatに至るランプ電圧VREFrampに設定する。
The voltage level VFD of the floating diffusion FD1 has the smallest amount of charge at the reset level, and the voltage level VFD has the highest level VFDini.
On the other hand, in the saturated state, the amount of charge is large, and the voltage level VFD becomes a low level VFD sat.
According to such a condition, the reference voltage VREF1 of the
第1の比較処理CMPR1のときに、このような参照電圧VREF1がVREFsatまたはVREFrampに設定されると、図7に示すように、入射光の強度が高い高照度のときほど電荷量が多いため比較器221の出力がフリップ(反転)する時間が速い。
最も高い照度の例EXP1の場合には、比較器221の出力が時刻t1に直ちにフリップ(反転)する。
例EXP1より低い照度の例EXP2の場合には、比較器221の出力が時刻t1より遅い時刻t2にフリップ(反転)する。
例EXP2より低い照度の例EXP3の場合には、比較器221の出力が時刻t2より遅い時刻t3にフリップ(反転)する。
When such a reference voltage VREF1 is set to VREFat or VREFramp in the first comparison process CMPR1, as shown in FIG. 7, the higher the intensity of the incident light and the higher the illuminance, the larger the charge amount, so that the comparison is made. The time for the output of the
Example of the highest illuminance In the case of EXP1, the output of the
In the case of Example EXP2 having an illuminance lower than that of Example EXP1, the output of the
In the case of Example EXP3 having an illuminance lower than that of Example EXP2, the output of the
このように、比較器221は、第1の比較処理CMPR1において、蓄積期間PIの所定期間にフォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFD1へのオーバーフロー電荷の量に応じた時間に対応する第1の比較結果信号SCMP1を出力する。
As described above, in the first comparison processing CMPR1, the
より具体的には、比較器221は、第1の比較処理CMPR1において、オーバーフロー電荷がフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングディフュージョンFD1に溢れ始める最大サンプリング時間におけるフォトダイオードPD1の所定の閾値に対応した信号レベルから最小サンプリング時間で得られる信号レベルまでの光レベルとの比較処理に対応可能である。
More specifically, the
上述したように、タイムスタンプADCモードにおける光変換動作(Photo conversion operation)は、蓄積期間PIにおいて、光―時間変換(Light to time conversion)を伴って実行される。
図7に示すように、非常に明るい光の下では、リセット活性化期間の直後に比較器221の出力状態が反転され、その光レベルは、以下の時間で説明される飽和信号(ウェル容量)に対応する。
As described above, the photo conversion operation in the time stamp ADC mode is performed with the light to time conversion in the storage period PI.
As shown in FIG. 7, under very bright light, the output state of the
((FD飽和量×蓄積時間)/サンプリング期間)+PD飽和量
たとえば、FD飽和:8Ke @ 150uV / e〜FD容量の1.1fF、最小サンプリング時間:15nsec、蓄積時間:3msec:
であると仮定する。
((FD saturation amount x accumulation time) / sampling period) + PD saturation amount For example, FD saturation: 8Ke @ 150uV / e to FD capacity 1.1fF, minimum sampling time: 15nsec, accumulation time: 3msec:
Is assumed to be.
このタイムスタンプADC動作モードでは、上述したように、オーバーフロー電荷がフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングディフュージョンFD1に溢れ始める最大サンプリング時間におけるフォトダイオードPD1の所定の閾値に対応した信号レベルから最小サンプリング時間で得られる信号レベルまでの光レベルをカバーすることができる。 In this time stamp ADC operation mode, as described above, the minimum sampling time from the signal level corresponding to the predetermined threshold value of the photodiode PD1 at the maximum sampling time at which the overflow charge starts to overflow from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1 which is the output node. It is possible to cover the light level up to the signal level obtained in.
図8は、本実施形態に係る比較器221の第1の比較処理CMPR1を説明するための図であって、参照電圧の他のパターン例を説明するための図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the first comparison processing CMPR1 of the
参照電圧VREFは、図8中に(1)で示す所定の傾きを持たせて変化させたランプ波形(信号)RAMPまたは図8中に(2)で示す固定電圧DCであってもよく、また、図8中に(3)で示すログ(log)や図8中に(4)で示す指数関数的な値をとる電圧信号あってもよい。 The reference voltage VREF may be a lamp waveform (signal) RAMP changed with a predetermined inclination shown in FIG. 8 or a fixed voltage DC shown in FIG. 8 (2). , There may be a log (log) shown in (3) in FIG. 8 or a voltage signal having an exponential value shown in (4) in FIG.
図9は、本実施形態に係る比較器に種々の参照電圧VREFを入力した場合の光時間変換の状態を示す図である。
図9において,横軸がサンプリング時間を示し、縦軸がオーバーフロー信号における推定信号を示している。
FIG. 9 is a diagram showing a state of optical time conversion when various reference voltages VREF are input to the comparator according to the present embodiment.
In FIG. 9, the horizontal axis shows the sampling time, and the vertical axis shows the estimated signal in the overflow signal.
図9は、適用される光の性質(適性)によるオーバーフロー電荷(信号)に対応する比較器221が反転するサンプリング時間を示している。
図9においては、さまざまな固定基準電圧DC1、DC2、DC3とランプ基準電圧VRAMPに対して反転するサンプリング時間を示している。ここでは、線形基準ランプが使用されている。
FIG. 9 shows the sampling time in which the
FIG. 9 shows sampling times that are inverted with respect to various fixed reference voltages DC1, DC2, DC3 and the lamp reference voltage VRAMP. Here, a linear reference lamp is used.
以上の飽和したオーバーフロー電荷に対する第1の比較処理CMPR1を行うタイムスタンプADCモードの動作が終了すると、フローティングディフュージョンFD1と比較器221をリセットした後に、非飽和電荷に対する第2の比較処理CMPR2を行うリニアADCモードの動作に移行する。
When the operation of the time stamp ADC mode for performing the first comparison processing CMPR1 for the saturated overflow charge is completed, the floating diffusion FD1 and the
図10は、本発明の第1の実施形態に係るデジタル画素における光応答カバレッジを示す図である。
図10において、AがタイムスタンプADCモード動作による信号を示し、BがリニアADCモード動作による信号を示している。
FIG. 10 is a diagram showing optical response coverage in a digital pixel according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 10, A indicates a signal due to time stamp ADC mode operation, and B indicates a signal due to linear ADC mode operation.
タイムスタンプADCモードは,非常に明るい光に対する光応答を有することができることから、リニアADCモードは暗いレベルからの光応答を有することができる。たとえば、120dBのダイナミックレンジ性能を実現することができる。
たとえば、上述したように、光変換範囲の飽和信号は900Keである。
リニアADCモードは、ADCを適用した通常の読み出しモード動作のため、2eのノイズレベルから8KeのフォトダイオードPD1とフローティングディフュージョンFD1の飽和までカバーすることがでる。
リニアADCモードのカバレッジは、追加のスイッチと容量で30Keに拡張することができる。
Since the time stamp ADC mode can have an optical response to very bright light, the linear ADC mode can have an optical response from a dark level. For example, a dynamic range performance of 120 dB can be realized.
For example, as described above, the saturation signal in the optical conversion range is 900 Ke.
Since the linear ADC mode operates in the normal read mode to which the ADC is applied, it can cover from the noise level of 2e to the saturation of the photodiode PD1 of 8Ke and the floating diffusion FD1.
Coverage in linear ADC mode can be extended to 30 Ke with additional switches and capacities.
(第2の比較処理時に不規則な強い光が入射する場合の対応)
次に、第2の比較処理CMPR2時に不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射するときに対する対応について電荷放出部212であるシャッターゲートトランジスタSG1−Trを持たない場合と持つ場合を対比して考察する。
(Correspondence when irregular strong light is incident during the second comparison process)
Next, regarding the response to the case where irregularly strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison process CMPR2, the case where the shutter gate transistor SG1-Tr, which is the
図11(A)および(B)は、電荷放出部であるシャッターゲートトランジスタSG1−Trを持たない場合の第2の比較処理の正常動作と不規則な強い光が入射した場合の動作状態を示す図である。
図12(A)および(B)は、電荷放出部であるシャッターゲートトランジスタSG1−Trを持たない場合と持つ場合の第2の比較処理の不規則な強い光が入射した場合の動作状態を示す図である。
11 (A) and 11 (B) show the normal operation of the second comparison process when the shutter gate transistor SG1-Tr, which is the charge emitting unit, is not provided, and the operating state when irregular strong light is incident. It is a figure.
12 (A) and 12 (B) show the operating state when the shutter gate transistor SG1-Tr, which is the charge emitting portion, is not provided and when irregular strong light of the second comparison process is incident. It is a figure.
AD変換の第2の比較処理中に、不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射すると、電荷放出部であるシャッターゲートトランジスタSG1−Trを持たない場合、図11(B)および図12(A)に示すように、フォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFD1に電荷がオーバーフローして出力ノードであるフローティングディフュージョンFDのレベルが変動してしまい、正常なAD変換処理を実現できないおそれがある。 When irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison process of the AD conversion, FIGS. 11 (B) and 12 (A) when the shutter gate transistor SG1-Tr, which is a charge emitting portion, is not provided. ), The charge overflows from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1 and the level of the floating diffusion FD, which is an output node, fluctuates, and there is a possibility that normal AD conversion processing cannot be realized.
これに対して、本実施形態においては、第2の比較処理CMPR2中に不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射したとしても、フォトダイオードPD1から不要な電荷をフローティングディフュージョンFD1領域外に放出し、フォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFD1に電荷がオーバーフローしてFDレベルが変動することを防止するシャッターゲートトランジスタSG1−Trを有している。
これにより、図12(B)に示すように、第2の比較処理CMPR2中に、不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射したとしてもFDレベルが変動することを防止し、正常なAD変換処理を実現可能である。
On the other hand, in the present embodiment, even if irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison process CMPR2, unnecessary charges are emitted from the photodiode PD1 to the outside of the floating diffusion FD1 region. It has a shutter gate transistor SG1-Tr that prevents the charge from overflowing from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1 and fluctuating the FD level.
As a result, as shown in FIG. 12B, it is possible to prevent the FD level from fluctuating even if irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison processing CMPR2, and normal AD conversion is performed. Processing is feasible.
本実施形態においては、読み出し部60の制御の下、第2の比較処理CMPR2において、図12(B)に示すように、転送期間TRに転送トランジスタTG1−Trを導通状態に保持し、シャッターゲートトランジスタSG1−Trを非導通状態に保持し、転送期間終了に伴い転送トランジスタTG1−Trを非導通状態に切り替えた転送期間後の所定期間にシャッターゲートトランジスタSG1−Trを導通状態に保持する。
In the present embodiment, under the control of the
図13は、本発明の第1の実施形態に係るメモリ部および出力回路の構成例を示す図である。 FIG. 13 is a diagram showing a configuration example of a memory unit and an output circuit according to the first embodiment of the present invention.
比較器221において、第1の比較処理CMPR1によりフローティングディフュージョンFD1のオーバーフロー電荷に応じた電圧信号がデジタル化された第1の比較結果信号SCMP1、および、第2の比較処理CMPR2によりフォトダイオードPD1の蓄積電荷がデジタル化された第2の比較結果信号SCMP2は、関連付けられてメモリ231,232にデジタルデータとして記憶される。
メモリ部230はSRAMやDRAMにより構成され、デジタル変換された信号が供給され、フォトコンバージョン符号に対応し、画素アレイ周辺の出力回路40の外部IOバッファ41により読み出すことができる。
In the
The
図14は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置10におけるフレーム読み出しシーケンスの一例を示す図である。
ここで、固体撮像装置10におけるフレーム読み出し方式の一例について説明する。
図14において、TSはタイムスタンプADCの処理期間を示し、LinはリニアADCの処理期間を示している。
FIG. 14 is a diagram showing an example of a frame readout sequence in the solid-
Here, an example of the frame readout method in the solid-
In FIG. 14, TS indicates the processing period of the time stamp ADC, and Lin indicates the processing period of the linear ADC.
上述したように、オーバーフロー電荷は蓄積期間PI中にフローティングディフュージョンFD1に蓄積される。タイムスタンプADCモードは蓄積時間PI中に動作する。
実際には、タイムスタンプADCモードは、蓄積期間PI中であって、フローティングディフュージョンFD1がリセットされるまでの期間に動作する。
タイムスタンプADCモードの動作が終了すると、リニアADCモードに遷移し、フローティングディフュージョンFD1のリセット時の信号(VRST)を読み出してデジタル信号をメモリ部230に格納するように変換する。
さらに蓄積期間PIの終了後、リニアADCモードではフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた信号(VSIG)を読み取ってデジタル信号をメモリ部230に格納するように変換する。
読み出されたフレームは、メモリノードからのデジタル信号データの読み出しによって実行され、そのようなMIPIデータフォーマットを有する、たとえば出力回路40のIOバッファ41(図13)を介して固体撮像装置10(イメージセンサ)の外部に送られる。この動作は、全画素(ピクセル)アレイに対してグローバルに実行することができる。
As mentioned above, the overflow charge is accumulated in the floating diffusion FD1 during the accumulation period PI. The time stamp ADC mode operates during the accumulation time PI.
In practice, the time stamp ADC mode operates during the accumulation period PI until the floating diffusion FD1 is reset.
When the operation of the time stamp ADC mode is completed, the mode shifts to the linear ADC mode, the signal (VRST) at the time of resetting the floating diffusion FD1 is read, and the digital signal is converted to be stored in the
Further, after the end of the storage period PI, in the linear ADC mode, the signal (VSIG) corresponding to the stored charge of the photodiode PD1 is read and converted so that the digital signal is stored in the
The read frame is executed by reading digital signal data from the memory node and has such a MIPI data format, eg, through the IO buffer 41 (FIG. 13) of the
また、画素部20において、全画素同時にリセットトランジスタRST1−Trと転送トランジスタTG1−Trを使ってフォトダイオードPD1をリセットすることで、全画素同時並列的に露光を開始する。また、所定の露光期間(蓄積帰還PI)が終了した後、転送トランジスタTG1−Trを使って光電変換読み出し部からの出力信号をAD変換部220、メモリ部230でサンプリングすることで、全画素同時並列的に露光を終了する。これにより、完全なシャッタ動作を電子的に実現する。
Further, in the
垂直走査回路30は、タイミング制御回路50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デジタル画素200の光電変換読み出し部210の駆動を行う。
垂直走査回路30は、タイミング制御回路50の制御に応じて、各デジタル画素200の比較器221に対して、第1の比較処理CMPR1、第2の比較処理CMPR2に準じて設定される参照電圧VREF1,VREF2を供給する。
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
The
Further, the
出力回路40は、たとえば図13に示すように、画素部20の各デジタル画素200のメモリ出力に対応して配置されたIOバッファ41を含み、各デジタル画素200から読み出されるデジタルデータを外部に出力する。
As shown in FIG. 13, the
タイミング制御回路50は、画素部20、垂直走査回路30、出力回路40等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。
The
本第1の実施形態において、読み出し部60は、たとえばグローバルシャッタモード時に、デジタル画素200からの画素信号の読み出し制御を行う。
In the first embodiment, the
(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。
(Laminate structure of solid-state image sensor 10)
Next, the laminated structure of the solid-
図15(A)および(B)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模式図である。
図16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簡略断面図である。
15 (A) and 15 (B) are schematic views for explaining the laminated structure of the solid-
FIG. 16 is a simplified cross-sectional view for explaining the laminated structure of the solid-
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1の基板110と第2の基板120が積層された構造を有する。
The solid-
The solid-
In this example, it has a structure in which the
第1の基板110には、その中央部を中心として画素部20の各デジタル画素200の光電変換読み出し部210が形成されている。
第1の基板110の光Lが入射側である第1面111側にフォトダイオードPDが形成され、その光入射側にマイクロレンズMCLやカラーフィルタが形成されている。
第1の基板110の第2面側に転送トランジスタ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,カレントトランジスタIC1−Tr、シャッターゲートトランジスタSG1−Trが形成されている
On the
A photodiode PD is formed on the
A transfer transistor TG1-Tr, a reset transistor RST1-Tr, a source follower transistor SF1-Tr, a current transistor IC1-Tr, and a shutter gate transistor SG1-Tr are formed on the second surface side of the
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、基本的に、デジタル画素200の光電変換読み出し部210が行列状に形成されている。
As described above, in the first embodiment, the photoelectric
第2の基板120には、各デジタル画素200のAD変換部220、メモリ部230がマトリクス状に形成されている。
また、第2の基板120には、垂直走査回路30、出力回路40、およびタイミング制御回路50も形成されてもよい。
The
Further, the
このような積層構造において、第1の基板110の各光電変換読み出し部210の読み出しノードND2と第2の基板120の各デジタル画素200の比較器221の反転入力端子(−)とが、たとえば図3に示すように、それぞれ信号線LSGN1、マイクロバンプBMPやビア(Die−to−Die Via)等を用いて電気的な接続が行われている。
また、本実施形態においては第1の基板110の各光電変換読み出し部210の読み出しノードND2と第2の基板120の各デジタル画素200の比較器221の反転入力端子(−)とが、結合キャパシタC221によりAC結合されている。
In such a laminated structure, the read node ND2 of each photoelectric
Further, in the present embodiment, the read node ND2 of each photoelectric conversion read
(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のデジタル画素200の画素信号の読み出し動作等について詳述する。
(Reading operation of the solid-state image sensor 10)
The characteristic configurations and functions of each part of the solid-
Next, the pixel signal reading operation of the
図17は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置の所定シャッタモード時の主として画素部における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。
図18(A)〜(D)は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置の所定シャッタモード時の主として画素部における読み出し動作を説明するための動作シーケンスおよびポテンシャル遷移を示す図である。
FIG. 17 is a timing chart for explaining a readout operation mainly in the pixel portion in a predetermined shutter mode of the solid-state image sensor according to the first embodiment.
18 (A) to 18 (D) are diagrams showing an operation sequence and potential transition for explaining a readout operation mainly in a pixel portion in a predetermined shutter mode of the solid-state image sensor according to the first embodiment.
まず、読み出し動作を開始するに当たって、図17および図18(A)に示すように、各デジタル画素200のフォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1をリセットするグローバルリセットが行われる。
グローバルリセットにおいては、全画素同時にリセットトランジスタRST1−Trと転送トランジスタTG1−Trが所定期間導通状態に保持されて、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1がリセットされる。そして、全画素同時にリセットトランジスタRST1−Trと転送トランジスタTG1−Trが非導通状態に切り替えられて、全画素同時並列的に露光、すなわち電荷の蓄積が開始される。
First, when starting the read operation, as shown in FIGS. 17 and 18 (A), a global reset is performed to reset the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 of each
In the global reset, the reset transistor RST1-Tr and the transfer transistor TG1-Tr are held in a conductive state for a predetermined period at the same time for all pixels, and the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset. Then, the reset transistor RST1-Tr and the transfer transistor TG1-Tr are switched to the non-conducting state at the same time for all the pixels, and the exposure, that is, the accumulation of electric charges is started in parallel for all the pixels.
そして、図17および図18(B)に示すように、オーバーフロー電荷に対するタイムスタンプ(TS)ADCモードの動作が開始される。
オーバーフロー電荷は蓄積期間PI中にフローティングディフュージョンFD1に蓄積される。タイムスタンプADCモードは蓄積時間PI中、具体的には、蓄積期間PI中であって、フローティングディフュージョンFD1がリセットされるまでの期間に動作する。
Then, as shown in FIGS. 17 and 18 (B), the operation of the time stamp (TS) ADC mode for the overflow charge is started.
The overflow charge is accumulated in the floating diffusion FD1 during the accumulation period PI. The time stamp ADC mode operates during the accumulation time PI, specifically, during the accumulation period PI, until the floating diffusion FD1 is reset.
タイムスタンプ(TS)ADCモードにおいては、光電変換読み出し部210において、AD変換部220の第1の比較処理期間PCMP1に対応して、蓄積期間PIにフォトダイオードPD1から出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSL1が出力される。
そして、AD変換部220の比較器221において、第1の比較処理CMPR1が行われる。比較器221では、読み出し部60の制御の下、蓄積期間PI中であって、フローティングディフュージョンFD1がリセットされるまでの期間にフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSL1に対するデジタル化した第1の比較結果信号SCMP1が出力され、第1の比較結果信号SCMP1に応じたデジタルデータがメモリ部230のメモリ231に格納される。
In the time stamp (TS) ADC mode, in the photoelectric
Then, in the
次に、図17および図18(C)に示すように、オーバーフロー電荷に対するタイムスタンプ(TS)ADCモードの動作が終了し、リニアADCモードに遷移し、フローティングディフュージョンFD1のリセット期間PR2に移行する。
リセット期間PR2においては、リセットトランジスタRST1−Trが所定期間導通状態に保持されて、フローティングディフュージョンFD1がリセットされる。フローティングディフュージョンFD1のリセット時の信号(VRST)を読み出してデジタル信号がメモリ部230のメモリ232に格納される。
そして、リセットトランジスタRST1−Trが非導通状態に切り替えられる。この場合、蓄積期間PIは継続される。
Next, as shown in FIGS. 17 and 18 (C), the operation of the time stamp (TS) ADC mode for the overflow charge is completed, the mode is changed to the linear ADC mode, and the reset period PR2 of the floating diffusion FD1 is started.
In the reset period PR2, the reset transistor RST1-Tr is held in the conductive state for a predetermined period, and the floating diffusion FD1 is reset. The signal (VRST) at the time of resetting the floating diffusion FD1 is read out, and the digital signal is stored in the
Then, the reset transistor RST1-Tr is switched to the non-conducting state. In this case, the accumulation period PI is continued.
次に、図17および図18(D)に示すように、蓄積期間PIが終了し、転送期間PTに移行する。
転送期間PTにおいては、転送トランジスタTG1−Trが所定期間導通状態に保持されて、フォトダイオードPD1の蓄積電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。このとき、シャッターゲートトランジスタSG1−Trは非導通状態に保持される。
そして、転送期間終了に伴い転送トランジスタTG1−Trが非導通状態に切り替えられた転送期間後の所定期間にシャッターゲートトランジスタSG1−Trが導通状態に保持される。
Next, as shown in FIGS. 17 and 18 (D), the accumulation period PI ends and the transfer period PT shifts.
In the transfer period PT, the transfer transistors TG1-Tr are held in a conductive state for a predetermined period, and the accumulated charge of the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1. At this time, the shutter gate transistor SG1-Tr is held in a non-conducting state.
Then, the shutter gate transistor SG1-Tr is held in the conductive state for a predetermined period after the transfer period in which the transfer transistor TG1-Tr is switched to the non-conducting state at the end of the transfer period.
リニア(Lin)ADCモードにおいては、光電変換読み出し部210において、AD変換部220の第2の比較処理期間PCMP2に対応して、蓄積期間PI終了後に、フォトダイオードPD1から出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に転送された蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2が出力される。
そして、AD変換部220の比較器221において、第2の比較処理CMPR2が行われる。比較器221では、読み出し部60の制御の下、蓄積期間PI後に、フォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に転送された蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2に対するデジタル化した第2の比較結果信号SCMP2が出力され、第2の比較結果信号SCMP2に応じたデジタルデータがメモリ部230のメモリ232に格納される。
In the linear (Lin) ADC mode, the photoelectric conversion /
Then, the second comparison process CMPR2 is performed in the
なお、第2の比較処理CMPR2中に不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射したとしても、フォトダイオードPD1から不要な電荷をシャッターゲートトランジスタSG1−Trを通してフローティングディフュージョンFD1領域外に放出し、フォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFD1に電荷がオーバーフローしてFDレベルが変動することが防止される。
これにより、第2の比較処理CMPR2中に、不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射したとしてもFDレベルが変動することが防止され、正常なAD変換処理が実現される。
Even if irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison processing CMPR2, unnecessary charges are emitted from the photodiode PD1 through the shutter gate transistor SG1-Tr to the outside of the floating diffusion FD1 region, and the photo It is possible to prevent the charge from overflowing from the diode PD1 to the floating diffusion FD1 and fluctuating the FD level.
As a result, even if irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison process CMPR2, the FD level is prevented from fluctuating, and a normal AD conversion process is realized.
メモリ部230に読み出された信号は、メモリノードからのデジタル信号データの読み出しによって実行され、そのようなMIPIデータフォーマットを有する、たとえば出力回路40のIOバッファ41を介して固体撮像装置10(イメージセンサ)の外部に送られる。この動作は、全画素(ピクセル)アレイに対してグローバルに実行される。
The signal read into the
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、デジタル画素として光電変換読み出し部210、AD変換部220、およびメモリ部230を含み、グローバルシャッタの動作機能を持つ、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、各デジタル画素200がAD変換機能を有しており、AD変換部220は、光電変換読み出し部210により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器221を有している。
そして、比較器221は、読み出し部60の制御の下、蓄積期間にフォトダイオードPD1から出力ノード(フローティングディフュージョン)FD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号SCMP1を出力する第1の比較処理CMPR1と、蓄積期間後の転送期間にフローティングノードFD1(出力ノード)に転送されたフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号SCMP2を出力する第2の比較処理CMPR2と、を行う。
そして、本第1の実施形態においては、第2の比較処理中に不規則な強い光がフォトダイオードPD1に入射したとしても、フォトダイオードPD1から不要な電荷をフローティングディフュージョンFD領域外に放出し、フォトダイオードPD1からフローティングディフュージョンFDに電荷がオーバーフローしてFDレベルが変動することを防止するシャッターゲートトランジスタSG1−Trを有している。
As described above, according to the first embodiment, the solid-
In the solid-
Then, the
Then, in the first embodiment, even if irregular strong light is incident on the photodiode PD1 during the second comparison process, unnecessary charges are emitted from the photodiode PD1 to the outside of the floating diffusion FD region. It has a shutter gate transistor SG1-Tr that prevents the charge from overflowing from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD and fluctuating the FD level.
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、第2の比較処理中に、不規則な強い光が光電変換素子に入射したとしてもFDレベルが変動することを防止し、正常なAD変換処理を実現可能である。
Therefore, according to the solid-
また、本第1の実施形態の固体撮像装置10によれば、蓄積期間にフォトダイオードから溢れ出る電荷をリアルタイムに利用することから、広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能となる。
また、本第1の実施形態によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能となる。
Further, according to the solid-
Further, according to the first embodiment, it is possible to substantially realize a wide dynamic range and a high frame rate, reduce noise, and expand the effective pixel area to the maximum. It is possible to maximize the value per cost.
また、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。
Further, according to the solid-
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。
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、画素アレイ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。
Further, the solid-
Therefore, in the first embodiment, the cost is obtained by basically forming the
(第2の実施形態)
図19は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置を説明するための図であって、タイムスタンプADCモード動作とリニアADCモード動作の選択処理の一例を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 19 is a diagram for explaining a solid-state image sensor according to a second embodiment of the present invention, and is a diagram showing an example of selection processing of time stamp ADC mode operation and linear ADC mode operation.
本第2の実施形態に係る固体撮像装置10Aが、上述した第1の実施形態に係る固体撮像装置10と異なる点は、次のとおりである。
第1の実施形態に係る固体撮像装置10では、タイムスタン(TS)ADCモード動作とリニア(Lin)ADCモード動作が連続して行われる。
The solid-state image sensor 10A according to the second embodiment is different from the solid-
In the solid-
これに対して、本第2の実施形態に係る固体撮像装置10Aでは、照度に応じてタイムスタンプ(TS)ADCモード動作とリニア(Lin)ADCモード動作を選択的に行うことができる。 On the other hand, in the solid-state image sensor 10A according to the second embodiment, the time stamp (TS) ADC mode operation and the linear (Lin) ADC mode operation can be selectively performed according to the illuminance.
図19の例では、通常の照度である場合(ST1)、タイムスタンプADCモード動作とリニアADCモード動作が連続して行う(ST2)。
通常の照度ではなく、非常に(極めて)高照度の場合(ST1、ST3)、フォトダイオードPD1から電荷がフローティングディフュージョンFD1にオーバーフローする確率が高いことから、タイムスタンプADCモード動作のみを行う(ST4)、
通常の照度ではなく、非常に(極めて)高照度でもなく、非常に(極めて)低照度の場合(ST1、ST3、ST5)、フォトダイオードPD1から電荷がフローティングディフュージョンFD1にオーバーフローする確率がきわめて低いことから、リニアADCモード動作のみを行う(ST6)、
In the example of FIG. 19, when the illuminance is normal (ST1), the time stamp ADC mode operation and the linear ADC mode operation are continuously performed (ST2).
In the case of extremely (extremely) high illuminance (ST1, ST3) instead of the normal illuminance, there is a high probability that the electric charge overflows from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1, so only the time stamp ADC mode operation is performed (ST4). ,
In the case of very (extremely) low illuminance (ST1, ST3, ST5), which is neither normal illuminance nor very (extremely) high illuminance, the probability that the charge overflows from the photodiode PD1 to the floating diffusion FD1 is extremely low. From, only linear ADC mode operation is performed (ST6),
本第2の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、読み出し処理の高速化、低消費電力化を図ることが可能となる。 According to the second embodiment, it is possible not only to obtain the same effect as the effect of the first embodiment described above, but also to speed up the reading process and reduce the power consumption.
(第3の実施形態)
図20は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置10Bにおけるフレーム読み出しシーケンスの一例を示す図である。
図21は、本第3の実施形態に係る比較器に参照電圧を入力した場合の光時間変換の状態を示す図である。
図21において,横軸がサンプリング時間を示し、縦軸がオーバーフロー信号における推定信号を示している。なお、ここでのオーバーフロー信号とは、転送トランジスタTG1−Trを導通状態にしてフォトダイオードPD1に電荷をためない条件(非オーバーフロー)にして見積もったものである。
図21は、適用される光の性質(適性)による非オーバーフロー電荷(信号)に対応する比較器221が反転するサンプリング時間を示している。
図22(A)および(B)は、本第3の実施形態におけるデジタルコードと光変換による電荷量との関係を示す図である。図22(A)はリニアのランプ信号を用いた場合の特性を、図22(B)はログ信号を用いた場合の特性を示している。
(Third Embodiment)
FIG. 20 is a diagram showing an example of a frame readout sequence in the solid-
FIG. 21 is a diagram showing a state of optical time conversion when a reference voltage is input to the comparator according to the third embodiment.
In FIG. 21, the horizontal axis shows the sampling time, and the vertical axis shows the estimated signal in the overflow signal. The overflow signal here is estimated under the condition that the transfer transistor TG1-Tr is in a conductive state and the photodiode PD1 is not charged (non-overflow).
FIG. 21 shows the sampling time in which the
22 (A) and 22 (B) are diagrams showing the relationship between the digital code and the amount of electric charge due to optical conversion in the third embodiment. FIG. 22 (A) shows the characteristics when a linear lamp signal is used, and FIG. 22 (B) shows the characteristics when a log signal is used.
本第3の実施形態において、読み出し部60は、比較器221に対して、蓄積期間にフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングディフュージョンFD1に溢れ出ない場合であっても、第1の比較処理CMPR1により、電荷に応じた電圧信号VSLに対するデジタル化した第1の比較結果信号SCMP1を出力するように制御する。
In the third embodiment, the
本第3の実施形態において、良好な変換処理を実現でき、場合によっては86dBのダイナミックレンジ性能を実現することができる。 In the third embodiment, good conversion processing can be realized, and in some cases, a dynamic range performance of 86 dB can be realized.
(第4の実施形態)
図23は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の画素の構成例を示す図である。
(Fourth Embodiment)
FIG. 23 is a diagram showing a configuration example of pixels of the solid-state image sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
本第4の実施形態に係る固体撮像装置10Cが、上述した第1の実施形態に係る固体撮像装置10と異なる点は、次のとおりである。
本第4の実施形態に係る固体撮像装置10Bでは、電流源としてのカレントトランジスタIC1−Trが第1の基板110側ではなく、たとえば第2の基板120側のAD変換部220の入力側に配置されている。
The solid-state image sensor 10C according to the fourth embodiment is different from the solid-
In the solid-
本第4の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。 According to the fourth embodiment, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.
以上説明した固体撮像装置10,10A,10B,10C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-
図24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. 24 is a diagram showing an example of the configuration of an electronic device equipped with a camera system to which the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention is applied.
本電子機器300は、図24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. 24, the
Further, the
The
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
The image signal processed by the
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10,10A,10B、10C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-mentioned solid-
Then, it is used in applications where there are restrictions such as mounting size, number of cables that can be connected, cable length, and installation height in the camera installation requirements, for example, electronic devices such as surveillance cameras and medical endoscope cameras. Can be realized.
10,10A,10B,10C・・・固体撮像装置、20・・・画素部、PD1・・・フォトダイオード、TG1−Tr・・・転送トランジスタ、RST1−Tr・・・リセットトランジスタ、SF1−Tr・・・ソースフォロワトランジスタ、IC1−Tr・・・カレントトランジスタ、SG1−Tr・・・シャッターゲートトランジスタ、FD1・・・フローティングディフュージョン、200・・・デジタル画素、210・・・光電変換読み出し部、211・・・出力バッファ部、212・・・電荷放出部、220・・・AD変換部、221・・・比較器、222・・・カウンタ、230・・・メモリ部、30・・・垂直走査回路、40・・・出力回路、50・・・タイミング制御回路、60・・・読み出し部、300・・・電子機器、310・・・CMOSイメージセンサ、320・・・光学系、330・・・信号処理回路(PRC)。 10, 10A, 10B, 10C ... Solid-state imaging device, 20 ... Pixel part, PD1 ... Photodiode, TG1-Tr ... Transfer transistor, RST1-Tr ... Reset transistor, SF1-Tr ... Source follower transistor, IC1-Tr ... current transistor, SG1-Tr ... shutter gate transistor, FD1 ... floating diffusion, 200 ... digital pixel, 210 ... photoelectric conversion readout unit, 211. Output buffer unit, 212 ... Charge discharge unit, 220 ... AD conversion unit, 221 ... Comparator, 222 ... Counter, 230 ... Memory unit, 30 ... Vertical scanning circuit, 40 ... Output circuit, 50 ... Timing control circuit, 60 ... Read unit, 300 ... Electronic equipment, 310 ... CMOS image sensor, 320 ... Optical system, 330 ... Signal processing Circuit (PRC).
Claims (20)
前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、
前記画素は、
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前記蓄積期間後の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出力ノードと、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、
前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含み、
前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、
前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、
前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行い、
前記第2の比較処理中に不規則な強い光が光電変換素子に入射した場合に、前記光電変換素子から不要な電荷を前記出力ノード領域外に放出可能な電荷放出部を含む
固体撮像装置。 The pixel part where the pixels that perform photoelectric conversion are arranged and
It has a reading unit that reads a pixel signal from the pixel of the pixel unit.
The pixel is
A photoelectric conversion element that accumulates the electric charge generated by photoelectric conversion during the storage period,
A transfer element capable of transferring the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element during the transfer period after the accumulation period, and
An output node to which the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element, and
An output buffer unit that converts the electric charge of the output node into a voltage signal according to the amount of electric charge and outputs the converted voltage signal.
A comparator that compares the voltage signal by the output buffer unit with the reference voltage and outputs a digitized comparison result signal is included.
The comparator is under the control of the reading unit.
A first comparison process for outputting a digitized first comparison result signal with respect to the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the storage period.
A second comparison process for outputting a second digitized comparison result signal with respect to the voltage signal according to the accumulated charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the storage period. Do,
A solid-state imaging device including a charge emitting unit capable of discharging unnecessary charges from the photoelectric conversion element to the outside of the output node region when irregular strong light is incident on the photoelectric conversion element during the second comparison process.
前記光電変換素子から前記出力ノード領域外にエミッタフローパスを形成可能なシャッターゲート素子により形成されている
請求項1記載の固体撮像装置。 The charge emitting part is
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a shutter gate element capable of forming an emitter flow path from the photoelectric conversion element to the outside of the output node region is formed.
前記シャッターゲート素子はシャッターゲートトランジスタにより形成され、
前記読み出し部は、
前記第1の比較処理を保証するため、前記転送トランジスタのオフ電位より前記シャッターゲートトランジスタのオフ電位を低く設定する
請求項2記載の固体撮像装置。 The transfer element is formed by a transfer transistor.
The shutter gate element is formed by a shutter gate transistor.
The reading unit is
The solid-state image sensor according to claim 2, wherein the off potential of the shutter gate transistor is set lower than the off potential of the transfer transistor in order to guarantee the first comparison process.
前記転送期間に前記転送トランジスタを導通状態に保持し、前記シャッターゲートトランジスタを非導通状態に保持し、
前記転送期間終了に伴い前記転送トランジスタを非導通状態に切り替えた転送期間後の所定期間に前記シャッターゲートトランジスタを導通状態に保持する
請求項3記載の固体撮像装置。 The reading unit is used in the second comparison process.
During the transfer period, the transfer transistor is held in a conductive state, and the shutter gate transistor is held in a non-conducting state.
The solid-state image sensor according to claim 3, wherein the shutter gate transistor is held in the conductive state for a predetermined period after the transfer period in which the transfer transistor is switched to the non-conducting state at the end of the transfer period.
請求項2から4のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The solid according to any one of claims 2 to 4, wherein in the case of irregular strong exposure due to charge overflow from the photoelectric conversion element, the output node level is maintained at a level at which the comparison process is normally performed by the shutter gate operation. Image sensor.
前記オーバーフロー電荷の量に応じた時間に対応する前記第1の比較結果信号を出力する
請求項1から5のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The comparator is used in the first comparison process.
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 5, which outputs the first comparison result signal corresponding to the time corresponding to the amount of the overflow charge.
前記オーバーフロー電荷が前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ始める最大サンプリング時間における前記光電変換素子の信号レベルから最小サンプリング時間で得られる信号レベルまでの光レベルに対応可能である
請求項6記載の固体撮像装置。 The comparator is used in the first comparison process.
The solid according to claim 6, wherein the overflow charge can correspond to an optical level from the signal level of the photoelectric conversion element to the signal level obtained in the minimum sampling time at the maximum sampling time when the photoelectric conversion element starts to overflow from the photoelectric conversion element to the output node. Image sensor.
前記光電変換素子および前記出力ノードがリセットレベルにリセットされてから、前記転送素子が導通状態に切り替えられて前記転送期間が開始されるまでの期間であり、
前記第1の比較処理の期間は、
前記光電変換素子および前記出力ノードがリセットレベルにリセットされてから、前記転送期間が開始される前に、前記出力ノードがリセットレベルにリセットされるまでの期間であり、
前記第2の比較処理の期間は、
前記出力ノードがリセットレベルにリセットされた後の期間であって、前記転送期間後の期間を含む期間である
請求項1から7のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The accumulation period is
This is the period from when the photoelectric conversion element and the output node are reset to the reset level until the transfer element is switched to the conductive state and the transfer period is started.
The period of the first comparison process is
The period from when the photoelectric conversion element and the output node are reset to the reset level until the output node is reset to the reset level before the transfer period is started.
The period of the second comparison process is
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 7, which is a period after the output node is reset to the reset level and includes a period after the transfer period.
前記第1の比較処理と前記第2の比較処理を、照度に応じて選択的に行うように制御する
請求項1から7のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The reading unit is
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the first comparison process and the second comparison process are controlled so as to be selectively performed according to the illuminance.
通常の照度の場合、前記第1の比較処理と前記第2の比較処理を行うように制御する
請求項9記載の固体撮像装置。 The reading unit is
The solid-state image sensor according to claim 9, wherein the first comparison process and the second comparison process are controlled to be performed in the case of normal illuminance.
通常の照度より高照度の場合、前記第1の比較処理を行うように制御する
請求項9または10記載の固体撮像装置。 The reading unit is
The solid-state image sensor according to claim 9 or 10, wherein when the illuminance is higher than the normal illuminance, the first comparison process is controlled to be performed.
通常の照度より低照度の場合、前記第2の比較処理を行うように制御する
請求項8から11のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The reading unit is
The solid-state image sensor according to any one of claims 8 to 11, wherein when the illuminance is lower than the normal illuminance, the second comparison process is controlled to be performed.
前記比較器に対して、前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出ない場合であっても、前記第1の比較処理により、電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力するように制御する
請求項1から12のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The reading unit is
Even when the photoelectric conversion element does not overflow to the output node during the storage period with respect to the comparator, the first digitized voltage signal according to the charge is digitized by the first comparison process. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 12, which controls to output a comparison result signal.
前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、
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、を含み、
前記出力バッファ部は、
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、変換した信号を出力するソースフォロワ素子と、
前記ソースフォロワ素子のソースに接続された電流源と、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。 The pixel is
Floating diffusion as the output node and
Includes a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential during the reset period.
The output buffer unit
A source follower element that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal according to the amount of charge and outputs the converted signal.
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 13, further comprising a current source connected to a source of the source follower element.
第1の入力端子に、前記出力バッファ部による前記電圧信号が供給され、
第2の入力端子に、前記参照電圧が供給され、
前記第1の入力端子への前記電圧信号の供給ラインに結合キャパシタが接続されている
請求項1から14のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The comparator
The voltage signal from the output buffer unit is supplied to the first input terminal,
The reference voltage is supplied to the second input terminal, and the reference voltage is supplied.
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 14, wherein a coupling capacitor is connected to the supply line of the voltage signal to the first input terminal.
出力端子と前記第1の入力端子との間にリセットスイッチが接続され、
前記出力端子側に負荷キャパシタが接続されている
請求項1から15のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The comparator
A reset switch is connected between the output terminal and the first input terminal.
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 15, wherein a load capacitor is connected to the output terminal side.
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、
前記画素は、
前記比較器の比較結果信号に応じたデータを記憶するメモリ部を含み、
前記第1の基板には、
少なくとも、前記画素の前記光電変換素子、前記転送素子、前記出力ノード、および出力バッファ部が形成され、
前記第2の基板には、
少なくとも、前記比較器、前記メモリ部、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16のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The first board and
Including the second substrate,
The first substrate and the second substrate have a laminated structure connected through a connecting portion.
The pixel is
A memory unit for storing data corresponding to the comparison result signal of the comparator is included.
On the first substrate,
At least the photoelectric conversion element, the transfer element, the output node, and the output buffer portion of the pixel are formed.
On the second substrate,
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 16, wherein at least a part of the comparator, the memory unit, and the reading unit is formed.
前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、
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、を含み、
前記出力バッファ部は、
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、変換した信号を出力するソースフォロワ素子と、
前記ソースフォロワ素子のソースに接続された電流源と、を含み、
前記フローティングディフュージョン前記リセット素子、および前記ソースフォロワ素子は前記第1の基板に形成され、
前記電流源は、前記第1の基板または前記第2の基板に形成されている
請求項17記載の固体撮像装置。 The pixel is
Floating diffusion as the output node and
Includes a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential during the reset period.
The output buffer unit
A source follower element that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal according to the amount of charge and outputs the converted signal.
Including a current source connected to the source of the source follower element.
The floating diffusion, the reset element, and the source follower element are formed on the first substrate.
The solid-state image sensor according to claim 17, wherein the current source is formed on the first substrate or the second substrate.
前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、
前記画素は、
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前記蓄積期間後の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出力ノードと、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、
前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含む
固体撮像装置の駆動方法であって、
前記画素の画素信号を読み出す場合、前記比較器において、
前記読み出し部の制御の下、
前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理を行い、
前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理を行い、
前記第2の比較処理中に不規則な強い光が光電変換素子に入射した場合に、前記光電変換素子から不要な電荷を前記出力ノード領域外に放出する
固体撮像装置の駆動方法。 The pixel part where the pixels that perform photoelectric conversion are arranged and
It has a reading unit that reads a pixel signal from the pixel of the pixel unit.
The pixel is
A photoelectric conversion element that accumulates the electric charge generated by photoelectric conversion during the storage period,
A transfer element capable of transferring the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element during the transfer period after the accumulation period, and
An output node to which the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element, and
An output buffer unit that converts the electric charge of the output node into a voltage signal according to the amount of electric charge and outputs the converted voltage signal.
A method for driving a solid-state image sensor, which includes a comparator that compares a voltage signal by the output buffer unit with a reference voltage and outputs a digitized comparison result signal.
When reading out the pixel signal of the pixel, in the comparator,
Under the control of the reading unit
A first comparison process is performed to output a digitized first comparison result signal with respect to the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the accumulation period.
A second comparison process is performed to output a second digitized comparison result signal with respect to the voltage signal corresponding to the accumulated charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the accumulation period.
A method for driving a solid-state image sensor that emits unnecessary charges from the photoelectric conversion element to the outside of the output node region when irregularly strong light is incident on the photoelectric conversion element during the second comparison process.
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、
光電変換を行う画素が配置された画素部と、
前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を含み、
前記画素は、
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前記蓄積期間後の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出力ノードと、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、
前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含み、
前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、
前記蓄積期間に前記光電変換素子から前記出力ノードに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、
前記蓄積期間後の前記転送期間に前記出力ノードに転送された前記光電変換素子の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行い、
前記第2の比較処理中に不規則な強い光が光電変換素子に入射した場合に、前記光電変換素子から不要な電荷を前記出力ノード領域外に放出可能な電荷放出部を含む
電子機器。 Solid-state image sensor and
The solid-state image sensor has an optical system for forming a subject image and
The solid-state image sensor
The pixel part where the pixels that perform photoelectric conversion are arranged and
A reading unit that reads a pixel signal from the pixel of the pixel unit is included.
The pixel is
A photoelectric conversion element that accumulates the electric charge generated by photoelectric conversion during the storage period,
A transfer element capable of transferring the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element during the transfer period after the accumulation period, and
An output node to which the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element is transferred through the transfer element, and
An output buffer unit that converts the electric charge of the output node into a voltage signal according to the amount of electric charge and outputs the converted voltage signal.
A comparator that compares the voltage signal by the output buffer unit with the reference voltage and outputs a digitized comparison result signal is included.
The comparator is under the control of the reading unit.
A first comparison process for outputting a digitized first comparison result signal with respect to the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node during the storage period.
A second comparison process for outputting a second digitized comparison result signal with respect to the voltage signal according to the accumulated charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node during the transfer period after the storage period. Do,
An electronic device including a charge emitting unit capable of discharging unnecessary charges from the photoelectric conversion element to the outside of the output node region when irregular strong light is incident on the photoelectric conversion element during the second comparison process.
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