JP2023005071A - Image pickup device and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging device and an imaging device.
従来、撮像機能を有する撮像装置(例えば、デジタルカメラ)等に用いられるイメージセンサにおいて、光電変換膜と、光電変換膜により発生した電荷を読み出す読出回路とを積層する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上述したようなイメージセンサにおいて、フォトダイオードに電荷が貯まった回数をカウントすることによりフォトダイオードが生成する電荷量を計測する場合、埋め込みフォトダイオードにすることができないため、Si/絶縁膜界面からの暗電流が非常に大きいという問題があった。
Conventionally, in an image sensor used in an imaging device (e.g., digital camera) having an imaging function, a technology has been proposed in which a photoelectric conversion film and a readout circuit for reading out the charges generated by the photoelectric conversion film are stacked (e.g., , see Patent Document 1).
However, in the image sensor as described above, when measuring the amount of charge generated by the photodiode by counting the number of times that the charge is accumulated in the photodiode, since the embedded photodiode cannot be used, the Si/insulating film interface There is a problem that the dark current from the is very large.
本発明の撮像素子は、光を電荷に変換する光電変換部と、前期光電変換部で生成された電荷を蓄積する蓄積部と、前記蓄積部における抵抗値の変化を検出する検出部と、前記検出部により前記蓄積部の抵抗値の変化が検出されると、前記光電変換部の電荷に基づく信号を読み出す読出部とを備える。 The imaging device of the present invention includes a photoelectric conversion portion that converts light into electric charge, an accumulation portion that accumulates the electric charge generated by the photoelectric conversion portion, a detection portion that detects a change in resistance value in the accumulation portion, and the a reading unit that reads out a signal based on the charge of the photoelectric conversion unit when a change in the resistance value of the storage unit is detected by the detection unit.
[第1の実施形態]
以下、本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る撮像素子1の構成の一例を示す図である。
撮像素子1は、撮像装置に備えられ、被写体像を撮像し、撮像する画像の画素データを生成する。
撮像素子1は、画素チップ11と、回路チップ12とを備える。
[First embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an
The
The
画素チップ11は、複数の画素21を備える。画素チップ11に備えられるそれぞれの画素21は、入射した光の量に応じて電荷を生成する。
回路チップ12は、画素21により生成された電荷の量を読み出す読出回路を画素毎に備える。
本実施形態において、画素チップ11と回路チップ12とは、画素毎に接合されている。
The
The
In this embodiment, the
図2は、本発明の一実施形態に係る撮像素子1の機能構成の一例を示す図である。同図を参照しながら、撮像素子1の機能構成の一例について説明する。
撮像素子1は、画素21と、ADC(Analog to Digital Converter)22と、メモリ23と、データバス24と、周辺回路25と、制御回路28とを、その機能として備える。
画素21と、ADC22と、メモリ23とは、撮像素子1が画素21毎に備える画素毎回路20であり周辺回路25と、制御回路28とは、撮像素子1毎に備えられる素子毎回路29である。データバス24は、一部が画素21毎に備えられ、他の一部が撮像素子1毎に備えられる。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the functional configuration of the
The
The
画素21は、フォトダイオードを含む。画素21に含まれるフォトダイオードは、入射した光の量に応じて電荷を生成する。画素21は、フォトダイオードにより生成された電荷の量を、電圧値としてADC22に出力する。
ADC22は、画素21から入力された電荷の量を示す電圧値(アナログ値)をデジタル値に変換する。ADC22は、変換した値をメモリ23に出力する。本実施形態において、ADC22は、画素21毎に備えられる。
The
メモリ23は、ADC22から入力された電荷の量を示す値を記憶する。本実施形態において、メモリ23は、画素21毎に備えられる。
The
データバス24は、メモリ23に記憶された電荷の量を示す値を取得する。データバス24は、取得した値を、周辺回路25に出力する。
周辺回路25は、それぞれの画素21毎に備えられるメモリ23の値をデータバス24を介して受け取り、所定のインターフェースにより撮像素子の外部へ出力する。
The
制御回路28は、画素21と、ADC22と、メモリ23とを制御する。制御回路28は、例えば、画素21に光が入射する時間を制御する。また、制御回路28は、画素21を制御することにより、画素21毎に蓄えられた電荷の読み出しを行う。さらに、制御回路28は、ADC22と、メモリ23と、データバス24とを制御することにより、周辺回路に25に1フレーム毎の画像データを出力させる。
A
図3は、本発明の第1の実施形態に画素毎回路20の機能構成の一例を示す図である。画素毎回路20は、画素21と、ADC22と、メモリ23とを備える。
画素21は、フォトダイオード(光電変換部および蓄積部)31を含んで構成される。フォトダイオード31は、入射した光を電荷に変換し蓄積する。この一例において、フォトダイオード31は、埋め込みフォトダイオードである。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the functional configuration of the pixel-by-
The
ADC22は、検出部32と、読出部33とを備える。
検出部32は、JFET(Junction Field Effect Transistor)321と、電流源322とを備える。検出部32は、JFET321と、電流源322とを備えることにより、フォトダイオード31における抵抗値の変化を検出する。フォトダイオード31は、蓄積した電荷の量に応じて抵抗値を変化させる。
The
The
フォトダイオード31の、電荷の量に応じた抵抗値の変化について、図4を参照しながら説明する。
図4は、本発明の第1の実施形態に係る画素断面図である。図4(A)は、フォトダイオード31が空乏時の画素21の断面を示す図である。図4(B)は、フォトダイオード31に電荷が蓄積している状態における画素21の断面を示す図である。同図を参照しながら、フォトダイオード31及びJFET321の構成と、電荷の量に応じたフォトダイオード31の抵抗の変化について説明する。
A change in the resistance value of the
FIG. 4 is a cross-sectional view of a pixel according to the first embodiment of the invention. FIG. 4A is a diagram showing a cross section of the
図4(A)に示すように、フォトダイオード31は、p型半導体領域311と、n型半導体領域312とを備える。
p型半導体領域311には、JFET321のソース端子である端子321Sと、JFET321のドレイン端子である端子321Dとが接続されている。JFET321のゲート端子である端子321Gは、n型半導体領域312である。すなわち、検出部32は、フォトダイオード31を形成する半導体領域の少なくとも一部を用いて形成される。
端子321Sには電流源322が接続され、端子321Dは接地されている。JFET321は、端子321Gであるn型半導体領域312に蓄積された電荷の量に応じて、ソース-ドレイン間に電流を流す。
フォトダイオード31に電荷が蓄積されていない状態(空乏時)において、p型半導体領域311に形成される空乏層は幅W1に示される領域に形成される。空乏時において、JFET321のソース-ドレイン間の電流は小さい。
As shown in FIG. 4A, the
A
A
In a state (during depletion) in which no charge is accumulated in
図4(B)を参照しながら、フォトダイオード31に光が入射し、電荷が蓄積された場合の空乏層の変化について説明する。n型半導体領域312に光が入射すると、n型半導体領域312に蓄積された電子数が増加することにより、電子とカップリングしたp型半導体領域311のホール数が増加する。電子とカップリングしたp型半導体領域311のホール数が増加すると、空乏層の幅が減少する。同図に示す一例において、p型半導体領域311に形成される空乏層は幅W2にまで減少している。
p型半導体領域311に接続された2本の電極(端子321S及び端子321D)間の領域において、コンダクタンスはA-A’断面に含まれるホールの数に比例する。n型半導体領域312に蓄積された電子数が増加することにより、電子とカップリングしたp型半導体領域311のホール数が増加すると、抵抗値が低下する。p型半導体領域311に接続された2本の電極は、JFET321のソース-ドレイン間に相当するため、JFET321のソース-ドレイン間の抵抗値は、フォトダイオード31が電荷を蓄積することによる空乏層の変化に応じて変化する。
A change in the depletion layer when light is incident on the
In the region between the two electrodes (terminal 321S and terminal 321D) connected to the p-
なお、この一例においては、端子321S及び端子321Dをp型半導体領域311に接続し、電流源322を備えることにより、ソース-ドレイン間に一定の電流を流す。すなわち、ソース-ドレイン間に電流を流すことにより電圧降下を検出するよう構成しているが、この一例に限定されない。その他の構成により、フォトダイオード31の抵抗値の変化を検出するよう構成してもよい。
In this example, the
図3に戻り、読出部33は、検出部32によりフォトダイオード31の抵抗値の変化が検出されると、フォトダイオード31の電荷に基づく信号を読み出す。読出部33は、読み出した信号をメモリ23に出力する。
Returning to FIG. 3 , when the
図5(A)、図5(B)及び図6は、本発明の第1の実施形態に係る具体的な回路構成及び動作について説明するための図である。図5(A)、図5(B)及び図6を参照しながら、第1の実施形態に係る具体的な回路構成及び動作について説明する。
図5(A)及び図5(B)は、本発明の第1の実施形態に係る画素毎回路20の回路構成、及び画素毎回路20とデータバス24との接続の一例を示す図である。この一例において、読出部33は、コンパレータ331と、OR回路332と、リセットトランジスタ334とを備える。
5A, 5B, and 6 are diagrams for explaining a specific circuit configuration and operation according to the first embodiment of the present invention. A specific circuit configuration and operation according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
5A and 5B are diagrams showing an example of the circuit configuration of the pixel-by-
コンパレータ331は、負極側入力端子と、正極側入力端子と、出力端子とを備える。コンパレータ331の正極側入力端子には、基準電位VREFが印加される。コンパレータ331の負極側入力端子は、JFET321と電流源322との接続点に接続される。JFET321と電流源322との接続点の電位を、“pd_out”と記載する。コンパレータ331の出力端子は、負極側入力端子に入力される電位“pd_out”が基準電位VREFより大きい場合にLを出力し、基準電位VREFより小さい場合にHを出力する。コンパレータ331が出力する信号を“detect”信号と記載する。“detect”信号は、OR回路332の入力端子及びメモリ23に出力される。
The
OR回路332には、コンパレータ331が出力する“detect”信号及び、制御回路28により制御される“hold_rst”信号が入力される。OR回路332は、入力される“detect”信号又は“hold_rst”信号のいずれかがHである場合にHを出力する。
A “detect” signal output from the
リセットトランジスタ334は、リセット電圧VRSTをフォトダイオード31に供給することにより、フォトダイオード31をリセットする。リセットトランジスタ334は、OR回路332により制御される。
なお、OR回路332の出力電位をリセット電圧VRSTと合わせるために、読出部33は、レベルシフタ333を備えていてもよい。レベルシフタ333は、OR回路332の出力がHである場合に、OR回路332の出力電位をリセット電圧VRSTに変換してリセットトランジスタ334のゲートに入力する。
The
Note that
メモリ23は、カウンタ231を備える。カウンタ231には、“detect”信号が入力される。カウンタ231は、“detect”信号の立ち上がりエッジが入力された回数をカウントする。また、カウンタ231には、制御回路28により“zero_clr”信号及び“read”信号が入力される。制御回路28から入力される“read”信号は、画素アレイ上の行ごとに共有される。
カウンタ231は、“zero_clr”信号が入力されると、カウントの値をゼロにリセットする。カウンタ231は、“read”信号が入力されると、データバス24にカウンタの値を“data_out”信号として出力する。“data_out”信号の出力先であるデータバス24の配線は、画素アレイ上の列ごとに共有される。
The
The
図6は、本発明の第1の実施形態に係る信号の時間変化の一例を示す図である。同図は、フォトダイオード31に入射した光を読出部33が読み出す場合における、“hold_rst”信号、“zero_clr”信号、“detect”信号及び“read”信号の時間変化を示した図である。
時刻t11において、制御回路28は、“hold_rst”信号をHに制御する。“hold_rst”信号がHに制御されると、リセットトランジスタ334はオンし、フォトダイオード31の電位は電圧VRSTにリセットされる。
時刻t12において、制御回路28は、“zero_clr”信号を出力する。“zero_clr”信号が出力されると、カウンタ231はゼロにリセットされる。
FIG. 6 is a diagram showing an example of time change of a signal according to the first embodiment of the present invention. This figure shows the temporal changes of the "hold_rst" signal, the "zero_clr" signal, the "detect" signal, and the "read" signal when the light incident on the
At time t11, the
At time t12, the
時刻t13において、制御回路28は、“hold_rst”信号をLに制御する。“hold_rst”信号がLに制御されると、リセットトランジスタ334はオフする。リセットトランジスタ334がオフすると、JFET321の抵抗値は、フォトダイオード31に入射した光の量に応じて低下する。この一例において、時刻t13から時刻t16までの間が1フレームであり、撮像素子1は、1フレームの間にフォトダイオード31に入射した光の量を検出する。
At time t13, the
フォトダイオード31に入射した光の量に応じて、JFET321の抵抗値は低下する。JFET321に流れる電流の量は一定になるよう制御されているため、コンパレータ331の負極側入力端子に印加される電位は低下する。
時刻t14において、コンパレータ331の負極側入力端子に印加される電位が基準電位VREFを下回ると、“detect”信号がHになる。
The resistance of
At time t14, when the potential applied to the negative input terminal of the
コンパレータ331の出力端子はカウンタ231に接続されるため、“detect”信号がHになると、カウンタ231はカウントアップする。また、コンパレータ331の出力端子はOR回路332の入力端子に接続されるため、“detect”信号がHになると、OR回路332がHを出力し、リセットトランジスタ334はオンする。リセットトランジスタ334がオンすると、フォトダイオード31の電位は電圧VRSTにリセットされ、JFET321の抵抗値は上昇し、コンパレータ331の負極側入力端子の電位が上昇し、“detect”信号はLになる。
時刻t13から時刻t16において、画素毎回路20は、複数回のカウントアップ及びリセットを繰り返す。
Since the output terminal of the
From time t13 to time t16, the pixel-by-
時刻t16において、制御回路28はすべての画素で“hold_rst”信号をHに制御する。“hold_rst”信号がHに制御することにより、1フレームが終了する。制御回路28は、画素アレイ上で上から順番に行を選択し、選択した行に対して“read”信号を出力することにより、1フレームの間(時刻t13から時刻t16)にフォトダイオード31に入射した光の量を、1行ごとに順番に読み出す。具体的には、制御回路28は、カウンタ231に記憶された値を、1フレームの間に入射した光の量として読み出す。すなわち、読出部33は、フォトダイオード31に蓄積した電荷が所定量蓄積した回数を測定することにより、フォトダイオード31の電荷に基づく信号を読み出す。
時刻t17において、制御回路28は次のフレームに備えるため、すべての画素で“zero_clr”信号を出力することにより、カウンタ231をゼロにリセットする。
At time t16, the
At time t17,
[第1の実施形態のまとめ]
以上説明した実施形態によれば、撮像素子1は、フォトダイオード31と、検出部32と、読出部33とを備える。また、フォトダイオード31は埋め込みフォトダイオードである。検出部32がフォトダイオード31における抵抗値の変化を検出すると、読出部33は、フォトダイオード31の電荷に基づく信号を読み出す。また、フォトダイオード31の抵抗値は、光が入射すると抵抗値が変化する。したがって、撮像素子1は、フォトダイオード31に光が入射した場合、フォトダイオード31に蓄積された電荷を読み出すことができる。すなわち、埋め込みフォトダイオードから信号を読み出すことができる。
また、以上説明した実施形態によれば、撮像素子1は、埋め込みフォトダイオードであるフォトダイオード31を備えるため、暗電流を抑制することができる。
[Summary of the first embodiment]
According to the embodiment described above, the
Further, according to the embodiment described above, the
また、以上説明した実施形態によれば、撮像素子1において、検出部32は、フォトダイオード31を形成する半導体領域の少なくとも一部を用いて形成される。具体的には、検出部32に含まれるJFET321は、フォトダイオード31を構成するp型半導体領域311とn型半導体領域312を含んで構成される。したがって、撮像素子1は、容易に検出部32を構成することができ、容易に埋め込みフォトダイオードから信号を読み出すことができる。
Further, according to the embodiments described above, in the
また、以上説明した実施形態によれば、撮像素子1において、フォトダイオード31の
空乏層の変化に応じて、フォトダイオード31の抵抗値が変化する。検出部32は、フォトダイオード31の抵抗値の変化を検出する。読出部33は、検出部32が抵抗値の変化を検出すると、フォトダイオード31から信号を読み出す。したがって、本実施形態によれば、容易に読出部33を構成することができ、容易に埋め込みフォトダイオードから信号を読み出すことができる。
Further, according to the embodiments described above, in the
また、以上説明した実施形態によれば、撮像素子1において、読出部33は、検出部32が、フォトダイオード31に蓄積した電荷が所定量蓄積した回数を測定する。読出部33は、回数を測定することにより、フォトダイオード31の電荷に基づく信号を読み出す。したがって、撮像素子1は、容易に埋め込みフォトダイオードから信号を読み出すことができる。
Further, according to the embodiments described above, in the
また、以上説明した実施形態によれば、読出部33は、検出部32が、フォトダイオード31に蓄積した電荷が所定量蓄積した回数を測定するため、フォトダイオード31の飽和電子数を超えた信号の取得が可能となる。したがって、撮像素子1は、フォトダイオード31の飽和電子数に制限されることがなくなる。
Further, according to the embodiment described above, the
また、以上説明した実施形態によれば、読出部33は、フローティングディフュージョンや転送トランジスタ等の読出し回路を備えない。したがって、読出部33は、フローティングディフュージョンや転送トランジスタ等の読出し回路を備える場合に比べ、少ない構成要素で構成される。よって、撮像素子1は、小型化することができる。
Further, according to the embodiments described above, the
[第2の実施形態]
図7及び図8は、本発明の第2の実施形態に係る撮像素子1Aの具体的な回路構成及び動作について説明するための図である。図7及び図8を参照しながら、第2の実施形態に係る撮像素子1Aが備える画素毎回路20Aの具体的な回路構成及び動作について説明する。
図7は、本発明の第2の実施形態に係る画素毎回路20Aの回路構成の一例を示す図である。画素毎回路20Aは、読出部33に代えて読出部33Aを備え、メモリ23に代えてメモリ23Aを備える点において、画素毎回路20とは異なる。画素毎回路20と同様の構成については、同一の符号を付すことにより、説明を省略する場合がある。
[Second embodiment]
7 and 8 are diagrams for explaining the specific circuit configuration and operation of the imaging device 1A according to the second embodiment of the present invention. A specific circuit configuration and operation of the pixel-by-
FIG. 7 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the pixel-by-
読出部33Aは、コンパレータ335と、OR回路336と、コンパレータ337と、ramp発生器338と、パルス生成回路339とを備える。
コンパレータ335は、負極側入力端子と、正極側入力端子と、出力端子とを備える。コンパレータ335の正極側入力端子には、基準電位VREFが印加される。コンパレータ335の負極側入力端子は、JFET321と電流源322との接続点に接続される。コンパレータ335の出力端子は、負極側入力端子に入力される電位“pd_out”が基準電位VREFより大きい場合にLを出力し、正極側入力端子に入力される電位が基準電位VREFより小さい場合にHを出力する。コンパレータ335が出力する信号は、OR回路336の入力端子に出力される。
The
The
OR回路336には、コンパレータ335の出力信号及び、制御回路28により制御される“force_read”信号が入力される。OR回路336は、入力信号のいずれかがHである場合にHを出力する。OR回路336の出力信号を“ramp_start”信号と記載する。“ramp_start”信号は、ramp発生器338に入力される。
The output signal of the
ramp発生器338は、ランプ信号を発生させる。ramp発生器338は、入力端子3381と、入力端子3382と、出力端子3383とを備える。入力端子3381には、OR回路336の出力信号を“ramp_start”信号が入力される。入力端子3382には、制御回路28により制御される“ramp_stop”信号が入力される。
ramp発生器338は、入力端子3381にHが入力された場合に、出力端子3383から“ramp”信号を出力し、入力端子3382にLが入力された場合に、出力端子3383から出力するランプ信号を停止する。
ここで、ramp発生器338が出力する“ramp”信号とは、コンパレータ337の負極側入力端子に印加される“pd_out”の最大値より大きい所定の値から、徐々に電圧を低くなるよう制御される信号である。“ramp”信号の電位を、ランプ電位とも記載する。
A
The
Here, the "ramp" signal output by the
コンパレータ337は、負極側入力端子と、正極側入力端子と、出力端子とを備える。コンパレータ337の負極側入力端子は、JFET321と電流源322との接続点に接続される。コンパレータ337の正極側入力端子は、ramp発生器338の出力端子3383に接続される。コンパレータ337の出力端子は、負極側入力端子に入力される電位“pd_out”が、ramp発生器338が出力する“ramp”信号の電位より大きい場合にLを出力し、小さい場合にHを出力する。コンパレータ337が出力する信号を“count”信号と記載する。“count”信号は、パルス生成回路339の入力端子及びメモリ23Aに出力される。
The
パルス生成回路339には、“count”信号が入力される。パルス生成回路339は、“count”信号の立下りとトリガとして、所定の時間幅のパルスをOR回路332に出力する。
A “count” signal is input to the
メモリ23Aは、カウンタ232を備える。カウンタ232には、“clk”信号、“zero_clr”信号、“read”信号及び“count”信号が入力される。カウンタ232は、“count”信号がHに制御されている区間において入力された“clk”信号の立ち上がりエッジの回数を記憶する。カウンタ232は、“read”信号が入力されると、記憶された値を“data_out”として周辺回路24に出力する。
The
図8は、本発明の第2の実施形態に係る信号の時間変化の一例を示す図である。同図は、フォトダイオード31に入射した光を読出部33Aが読み出す場合における、“hold_rst”信号、“zero_clr”信号、“clk”信号、“pd_out”信号、“count”信号、“force_read”信号、“ramp”信号及び“read”信号の時間変化を示した図である。
時刻t21において、制御回路28は、“hold_rst”信号をHに制御する。“hold_rst”信号がHに制御されると、リセットトランジスタ334はオンし、フォトダイオード31の電位は電圧VRSTにリセットされる。
時刻t22において、制御回路28は、“zero_clr”信号を出力する。“zero_clr”信号が出力されると、カウンタ232はゼロにリセットされる。
FIG. 8 is a diagram showing an example of time change of a signal according to the second embodiment of the present invention. The figure shows the "hold_rst" signal, the "zero_clr" signal, the "clk" signal, the "pd_out" signal, the "count" signal, the "force_read" signal, and the FIG. 4 is a diagram showing temporal changes of a “ramp” signal and a “read” signal;
At time t21, the
At time t22, the
時刻t23において、制御回路28は、“hold_rst”信号をLに制御する。“hold_rst”信号がLに制御されると、リセットトランジスタ334はオフする。リセットトランジスタ334がオフすると、JFET321の抵抗値は、フォトダイオード31に入射した光の量に応じて低下する。この一例において、時刻t23から時刻t32までの区間が1フレームであり、撮像素子1は、1フレームの間にフォトダイオード31に入射した光の量を検出する。
At time t23, the
フォトダイオード31に入射した光の量に応じて、JFET321の抵抗値は低下する。したがって、フォトダイオード31に光が入射すると“pd_out”の電位は低下し、コンパレータ335の負極側入力端子及びコンパレータ337の負極側入力端子に印加される電位は低下する。
The resistance of
時刻t24において、コンパレータ335の負極側入力端子に印加される電位が基準電位VREFを下回ると、コンパレータ335はHを出力する。
コンパレータ335がHを出力すると、OR回路336はHを出力し、ramp発生器338の入力端子3381にはHが入力される。ramp発生器338の入力端子3381にHが入力されると、ramp発生器338の出力端子3383には“ramp”信号が出力される。“ramp”信号が出力されると、コンパレータ337の正極側入力端子の電位は、負極側入力端子の電位よりも小さくなり、コンパレータ337の出力端子はHを出力する。すなわち、“ramp”信号が出力されると、“count”信号がHになる。コンパレータ337の出力端子はカウンタ232に接続されるため、“count”信号がHに制御されている期間に入力される“clk”信号の立ち上がりエッジの数をカウンタ232に加算する。また、コンパレータ337の出力端子はパルス生成回路339を介してOR回路332の入力端子に接続されるため、“count”信号が立ち下がると、OR回路332がHを出力し、リセットトランジスタ334はオンする。リセットトランジスタ334がオンすると、フォトダイオード31の電位は電圧VRSTにリセットされる。
At time t24, when the potential applied to the negative input terminal of the
When the
時刻t25において、コンパレータ337の正極側入力端子に印加される電位が、負極側入力端子に印加される電位より小さくなると、コンパレータ337の出力端子には、Lが出力される。コンパレータ337の出力端子に、Lが出力されると、カウンタ232は、入力された“clk”信号の立ち上がりエッジのカウントを停止する。また、“count”信号がLになると、ramp発生器338の入力端子3382に“ramp_stop”信号が入力され、ramp発生器338はリセットされる。ramp発生器338がリセットされると、出力端子3383の電位“ramp”信号は所定の電位になる。
At time t25, when the potential applied to the positive input terminal of the
時刻t24から時刻t29において、画素毎回路20Aは、カウンタ232のカウントアップと、フォトダイオード31のリセットとを繰り返す。
From time t24 to time t29, the circuit for each
時刻t30において、制御回路28は“force_read”信号をHに制御する。制御回路28は、例えば、“hold_rst”信号をLに制御してから所定時間経過後に、“force_read”信号をHに制御する。“force_read”信号がHに制御されると、ramp発生器338の入力端子3381にはHが入力され、ramp発生器338の出力端子3383には“ramp”信号が出力される。“ramp”信号が出力されると、コンパレータ337の正極側入力端子の電位は、負極側入力端子の電位よりも小さくなり、コンパレータ337の出力端子はHを出力する。すなわち、“ramp”信号が出力されると、“count” 信号がHに制御されている期間に入力される“clk”信号の立ち上がりエッジの数をカウンタ232に加算する。コンパレータ337の出力端子はカウンタ232に接続されるため、“count”信号がHになった時点で、カウンタ232はカウントアップする。また、コンパレータ337の出力端子はOR回路332の入力端子に接続されるため、“count”信号がHになると、OR回路332がHを出力し、リセットトランジスタ334はオンする。リセットトランジスタ334がオンすると、フォトダイオード31の電位は電圧VRSTにリセットされる。
At time t30, the
時刻t31において、コンパレータ337の正極側入力端子に印加される電位が、負極側入力端子に印加される電位より小さくなると、コンパレータ337の出力端子には、Lが出力される。コンパレータ337の出力端子に、Lが出力されると、カウンタ232は、入力された“clk”信号の立ち上がりエッジのカウントを停止する。すなわち、制御回路28が“force_read”信号を出力することにより、読出部33Aは、フォトダイオード31に蓄積した電荷が所定量未満である場合の電荷量を読み出す。
At time t31, when the potential applied to the positive input terminal of the
また、コンパレータ337の出力端子はOR回路332の入力端子に接続されるため、“count”信号がHになると、OR回路332がHを出力し、リセットトランジスタ334はオンする。リセットトランジスタ334がオンすると、フォトダイオード31の電位は電圧VRSTにリセットされ、JFET321の抵抗値は上昇し、コンパレータ335及びコンパレータ337の負極側入力端子の電位が上昇し、“count”信号はLになる。“count”信号がLになると、ramp発生器338の入力端子3382に“ramp_stop”信号が入力され、ramp発生器338はリセットされる。ramp発生器338がリセットされると、出力端子3383の電位“ramp”信号はゼロになる。
Also, since the output terminal of the
時刻t32において、制御回路28は、画素アレイ上で上から順番に行を選択し、選択した行の“read”信号をHに制御する。カウンタ232は、“read”信号がHに制御されると、カウンタ232に記憶された値を“data_out”としてデータバス24に出力する。
At time t32, the
[第2の実施形態のまとめ]
以上説明した実施形態によれば、撮像素子1Aは、読出部33Aを備える。撮像素子1は、読出部33Aを備えることにより、フォトダイオード31に蓄積した電荷が所定量未満である場合の電荷量を読み出す。したがって、本実施形態によれば、より正確に埋め込みフォトダイオードから信号を読み出すことができる。
[Summary of the second embodiment]
According to the embodiment described above, the imaging device 1A includes the
また、以上説明した実施形態によれば、撮像素子1Aは、読出部33Aを備えることによりフォトダイオード31に蓄積した電荷の電荷量を読み出すため、埋め込みフォトダイオードにおいても暗電流を小さくすることができる。
Further, according to the embodiment described above, the image pickup element 1A is provided with the
[第3の実施形態]
図9及び図10は、本発明の第3の実施形態に係る撮像素子1Bの具体的な回路構成及び動作について説明するための図である。図9及び図10を参照しながら、第3の実施形態に係る撮像素子1Bが備える画素毎回路20Bの具体的な回路構成及び動作について説明する。
図9は、本発明の第3の実施形態に係る画素毎回路20Bの回路構成の一例を示す図である。画素毎回路20Bは、画素21に代えて画素21Bを、読出部33に代えて読出部33Bを、メモリ23に代えてメモリ23Bを備える点において、画素毎回路20とは異なる。画素毎回路20と同様の構成については、同一の符号を付すことにより、説明を省略する場合がある。
[Third embodiment]
9 and 10 are diagrams for explaining the specific circuit configuration and operation of the imaging device 1B according to the third embodiment of the present invention. A specific circuit configuration and operation of the pixel-by-
FIG. 9 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the pixel-by-
画素21Bは、フォトダイオード31と、フローティングディフュージョン(蓄積部)41と、転送トランジスタ(転送部)42とを備える。
転送トランジスタ42は、制御回路28により制御される。具体的には、転送トランジスタ42は、制御回路28により制御される転送信号に基づき、フォトダイオード31により生成された電荷をフローティングディフュージョン41に転送する。
フローティングディフュージョン41は、フォトダイオード31により生成・蓄積され、転送トランジスタ42を介して転送された電荷を蓄える。
The
The
The floating
読出部33Bは、コンパレータ51と、OR回路52と、読出制御回路53と、リセットトランジスタ54と、トランジスタ55と、トランジスタ56と、コンパレータ57とを備える。
コンパレータ51は、負極側入力端子と、正極側入力端子と、出力端子とを備える。コンパレータ51の正極側入力端子には、基準電位VREF1が印加される。コンパレータ51の負極側入力端子は、JFET321と電流源322との接続点に接続される。コンパレータ51の出力端子は、負極側入力端子に入力される電位が基準電位VREF1より大きい場合にLを出力し、正極側入力端子に入力される電位が基準電位VREF1より小さい場合にHを出力する。コンパレータ51が出力する信号は、OR回路52の入力端子に出力される。
The
The
OR回路52には、コンパレータ51の出力信号及び、制御回路28により制御される“force_read”信号が入力される。OR回路52は、入力信号のいずれかがHである場合にHを出力する。OR回路52の出力信号を“trigger”信号と記載する。
The output signal of the
読出制御回路53は、制御回路28により制御され、読出部33Bが備える各回路を制御する。具体的には、読出制御回路53は、OR回路52からの出力信号である“trigger”信号及び制御回路28からの制御信号に基づき、転送トランジスタ42と、リセットトランジスタ54と、コンパレータ57とカウンタ233とを制御する。
The
リセットトランジスタ54は、リセット電圧VRSTをフローティングディフュージョン41に供給することにより、フローティングディフュージョン41をリセットする。リセットトランジスタ54は、読出制御回路53により制御される。
The
トランジスタ55は、pチャネル型FETである。トランジスタ55のゲート端子はフローティングディフュージョン41に接続され、ソース端子は電源に接続され、ドレイン端子はコンパレータ57の負極側入力端子に接続される。
トランジスタ56は、nチャネル型FETである。トランジスタ56のゲート端子には基準電位VREF2が印加され、ソース端子は接地され、ドレイン端子はコンパレータ57の負極側入力端子に接続される。
コンパレータ57は、負極側入力端子と、正極側入力端子と、出力端子とを備える。コンパレータ57の負極側入力端子は、トランジスタ55のドレインと、トランジスタ56のドレインとの接続点に接続される。コンパレータ57の正極側入力端子は、読出制御回路53により制御され、ランプ信号が入力される。コンパレータ57の出力端子は、負極側入力端子に入力される電位が、ランプ信号の電位より大きい場合にLを出力し、小さい場合にHを出力する。コンパレータ57が出力する信号を“count”信号と記載する。“count”信号は、メモリ23Bに出力される。
The
メモリ23Bは、カウンタ233を備える。カウンタ233には、“clk”信号、“load”信号、“data_in”信号、“up”信号、“down”信号及び“count”信号が入力される。カウンタ233は、“count”信号が入力された場合、“up”信号又は“down”信号のいずれの信号が入力されているかに基づいて、“count”信号がHである間に入力される“clk”信号の立ち上がりエッジの回数を加算又は減算する。また、カウンタ233は、“load”信号が入力されるとその立ち上がりエッジに同期して、“data_in”信号に示される値をカウンタに記憶する。カウンタ233は、記憶されたカウンタの値を“data_out”信号に常に出力する。カウンタ233の“data_in”信号の端子は、画素アレイ上で1つ上の画素のカウンタ233の“data_out”信号の端子に接続される。画素アレイ上の一番上にある画素の“data_in”信号は、所定の値が入力されており、画素アレイ上の一番下にある画素の“data_out”信号は、周辺回路へと出力される。“load”信号が立ち上がるごとに、すべての画素のカウンタ233の値は、画素アレイ上で1つ下の画素のカウンタ233に転送されつつ、転送が終わった画素のカウンタ233には所定の値が入力される。すなわちシフトレジスタの動作により、カウンタ233の値の周辺回路への読み出しと、所定の値へのリセットを行う。
The
図10は、本発明の第3の実施形態に係る信号の時間変化の一例を示す図である。同図は、フォトダイオード31に入射した光を読出部33Bが読み出す場合における、“load”信号、“clk”信号、“pd_out”信号、“force_read”信号、“trigger”信号、“FDRST”信号、“TX”信号、“down”信号、“up”信号及び“ramp”信号の時間変化を示した図である。 FIG. 10 is a diagram showing an example of temporal changes in signals according to the third embodiment of the present invention. The figure shows the "load" signal, the "clk" signal, the "pd_out" signal, the "force_read" signal, the "trigger" signal, the "FDRST" signal, and the It is the figure which showed the time change of the "TX" signal, the "down" signal, the "up" signal, and the "ramp" signal.
本実施形態における撮像素子1Bは、画素21毎の出力ばらつきを除去するための、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling。以下、CDS。)の動作を行う。時刻t51から時刻t56までの動作は、CDSにおけるDARKサンプリングの動作である。
The image pickup device 1B in this embodiment performs correlated double sampling (hereinafter referred to as CDS) operation for removing variations in output from
時刻t51において、読出制御回路53は、転送トランジスタ42をオンさせ、フォトダイオード31に蓄積した電荷のすべてをフローティングディフュージョン41に転送する。これにより、フォトダイオード31は蓄積電荷がゼロの状態にリセットされる。
時刻t55から時刻t56にかけて、制御回路28は、“load”信号を制御することによりカウンタ233の値を周辺回路24に読み出すと同時に、すべての画素でカウンタ233を所定の値へリセットする。
At time t<b>51 , the
From time t55 to time t56, the
時刻t61において、フォトダイオード31に蓄積した電荷が所定の量に達し、コンパレータ51の負極側入力端子の電位が、正極側入力端子に印加される基準電位VREF1より小さくなると、コンパレータ51はHを出力し、OR回路52はHを出力する。すなわち、“trigger”信号はHに制御される。
At time t61, when the charge accumulated in the
読出制御回路53は、“trigger”信号がHに制御されたことを検出すると、時刻t62から時刻t67にかけて、自立的なA/D変換を行う。
時刻t62において、読出制御回路53は、リセットトランジスタ54をオンに制御する。リセットトランジスタ54がオンすることにより、フローティングディフュージョン41はリセットされる。
When the
At time t62, read
時刻t63において、読出制御回路53は、“down”信号を出力する。また、読出制御回路53は、“ramp”電圧を所定の電圧から徐々に低くしていく。所定の電圧とは、コンパレータ57の負極側入力端子より高い電圧のため、時刻t63において、“count”信号はHに切り替わる。
時刻t64において、“ramp”電圧が負極側入力端子より低い電圧になると、“count”信号はLに切り替わる。“count”信号がHである間の時刻t63から時刻t64にかけて、カウンタ233は入力された“clk”信号の立ち上がりエッジの回数を保持する値から減算する。すなわち、フローティングディフュージョン41のリセット後の電圧により決まる値が、カウンタ233から減算される。
At time t63, read
At time t64, when the "ramp" voltage becomes lower than the negative input terminal, the "count" signal switches to L. From time t63 to time t64 while the "count" signal is high, the
時刻t65において、読出制御回路53は、転送トランジスタ42をオンさせ、フォトダイオード31に蓄積した電荷をフローティングディフュージョン41に転送する。すなわち、転送トランジスタ42は、検出部32がフォトダイオード31における抵抗値の変化を検出した場合に、フォトダイオード31の電荷をフローティングディフュージョン41に転送する。
時刻t66において、読出制御回路53は、“up”信号を出力する。また、読出制御回路53は、“ramp”電圧を所定の電圧から徐々に低くしていく。所定の電圧とは、コンパレータ57の負極側入力端子より高い電圧のため、時刻t65において、“count”信号はHに切り替わる。
時刻t67において、“ramp”電圧が負極側入力端子より低い電圧になると、“count”信号はLに切り替わる。“count”信号がHである間の時刻t66から時刻t67にかけて、カウンタ233は入力された“clk”信号の立ち上がりエッジの回数を保持する値に加算する。すなわち、フローティングディフュージョン41のリセット後の電位とフォトダイオード31から転送された電荷の両方により決まる値がカウンタ233に加算される。
At time t<b>65 , the
At time t66, read
At time t67, when the "ramp" voltage becomes lower than the negative input terminal, the "count" signal switches to L. From time t66 to time t67 while the "count" signal is H, the
時刻t71において、フォトダイオード31に蓄積した電荷が再び所定の量に達すると、読出制御回路53は、時刻t71から時刻t77にかけて、時刻t61から時刻t67において説明した動作と同様の、自立的なA/D変換を行う。時刻t71から時刻t77にかけての動作は、時刻t61から時刻t67において説明した動作と同様のため、説明を省略する。
At time t71, when the charge accumulated in the
読出制御回路53は、1フレームの期間が終了する時間より所定の時間前に、外部トリガによるA/D変換を行い、フォトダイオード31に蓄積した電荷であって、所定の量に達していない分の電荷を、A/D変換により読み出す。
時刻t81において、制御回路28は、“force_read”信号をHに制御する。“force_read”信号にHに制御されるとOR回路52はHを出力する。すなわち、“trigger”信号はHに制御される。読出制御回路53は、“trigger”信号がHに制御されたことを検出すると、時刻t62から時刻t67にかけて、外部トリガによるA/D変換を行う。外部トリガによるA/D変換は、トリガがコンパレータ51の出力でなく、制御回路28により制御される点において、自立的なA/D変換とは異なるが、読出制御回路53が行う動作は同様である。
The
At time t81, the
時刻t82において、読出制御回路53は、リセットトランジスタ54をオンに制御する。リセットトランジスタ54がオンすることにより、フローティングディフュージョン41はリセットされる。
時刻t83において、読出制御回路53は、“down”信号を出力する。また、読出制御回路53は、“ramp”電圧を所定の電圧から徐々に低くしていく。所定の電圧とは、コンパレータ57の負極側入力端子より高い電圧のため、時刻t63において、“count”信号はHに切り替わる。
時刻t84において、“ramp”電圧が負極側入力端子より低い電圧になると、“count”信号はLに切り替わる。“count”信号がHである間の時刻t83から時刻t84にかけて、カウンタ233は入力された“clk”信号の立ち上がりエッジの回数を保持する値から減算する。すなわち、フローティングディフュージョン41のリセット後の電圧により決まる値が、カウンタ233から減算される。
At time t82, read
At time t83, read
At time t84, when the "ramp" voltage becomes lower than the negative input terminal, the "count" signal switches to L. From time t83 to time t84 while the "count" signal is high, the
時刻t85において、読出制御回路53は、転送トランジスタ42をオンさせ、フォトダイオード31に蓄積した電荷をフローティングディフュージョン41に転送する。
時刻t86において、読出制御回路53は、“up”信号を出力する。また、読出制御回路53は、“ramp”電圧を所定の電圧から徐々に低くしていく。所定の電圧とは、コンパレータ57の負極側入力端子より高い電圧のため、時刻t85において、“count”信号はHに切り替わる。
時刻t87において、“ramp”電圧が負極側入力端子より低い電圧になると、“count”信号はLに切り替わる。“count”信号がHである間の時刻t86から時刻t87にかけて、カウンタ233は入力された“clk”信号の立ち上がりエッジの回数を保持する値に加算する。すなわち、フローティングディフュージョン41のリセット後の電位とフォトダイオード31から転送された電荷の両方により決まる値がカウンタ233に加算される。
At time t<b>85 , the
At time t86, read
At time t87, when the "ramp" voltage becomes lower than the negative input terminal, the "count" signal switches to L. From time t86 to time t87 while the "count" signal is H, the
時刻t88から時刻t89にかけて、制御回路28は、“load”信号を制御することによりカウンタ233の値を周辺回路24に読み出すと同時に、次のフレームのためにすべての画素でカウンタ233を所定の値へリセットする。
From time t88 to time t89, the
[第3の実施形態のまとめ]
上述したように、本実施形態によれば、フローティングディフュージョン41と、転送トランジスタ42とを備える。転送トランジスタ42は、検出部32がフォトダイオード31の電荷が所定の値になったことを検出すると、フォトダイオード31の電荷をフローティングディフュージョン41に転送する。読出部33Bは、フローティングディフュージョン41に蓄積した電荷をフォトダイオード31の電荷として読み出す。したがって、本実施形態によれば、より高い精度で、フォトダイオード31に蓄積した電荷を読み出すことができる。
[Summary of the third embodiment]
As described above, according to this embodiment, the floating
本実施例では、1画素内に“ramp”信号の発生回路を置き、コンパレータ51の出力をもとに、自立的なA/D変換を開始したが、“ramp”信号の発生回路を制御回路28の中に置き、所定時間間隔で繰り返しA/D変換をするように構成してもよい。この場合、コンパレータ51の出力がHでなければ、カウンタ233の値を増減させず、かつ、転送トランジスタ42をオンさせないという動作をしてもよい。
In this embodiment, a "ramp" signal generating circuit is placed in one pixel, and independent A/D conversion is started based on the output of the
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to the above, and various design changes, etc., can be made without departing from the gist of the present invention. It is possible to
1…撮像素子、
11…画素チップ、
12…回路チップ、
20…画素毎回路、
21…画素、
22…ADC、
23…メモリ、
24…データバス、
25…周辺回路、
28…制御回路、
29…素子毎回路、
31…フォトダイオード、
32…検出部、
321…JFET、
322…電流源、
33…読出部、
41…フローティングディフュージョン、
42…転送トランジスタ、
53…読出制御回路
1... image sensor,
11... pixel chip,
12... circuit chip,
20... Circuit for each pixel,
21 pixels,
22 ADC,
23... memory,
24 data bus,
25... Peripheral circuit,
28 ... control circuit,
29... Circuit for each element,
31... photodiode,
32 ... detector,
321 JFETs,
322 ... current source,
33 ... reading unit,
41... floating diffusion,
42 ... transfer transistor,
53 ... read control circuit
Claims (7)
前記光電変換部で生成された電荷を蓄積する蓄積部と、
前記蓄積部における抵抗値の変化を検出する検出部と、
前記検出部により前記蓄積部の抵抗値の変化が検出されると、前記光電変換部の電荷に基づく信号を読み出す読出部と
を備える撮像素子。 a photoelectric conversion unit that converts light into an electric charge;
an accumulation unit for accumulating charges generated by the photoelectric conversion unit;
a detection unit that detects a change in the resistance value of the storage unit;
and a readout unit that reads out a signal based on the charge of the photoelectric conversion unit when the detection unit detects a change in the resistance value of the storage unit.
請求項1に記載の撮像素子。 The imaging device according to claim 1, wherein the detection section is formed using at least part of a semiconductor region forming the photoelectric conversion section.
請求項1又は請求項2に記載の撮像素子。 3. The imaging device according to claim 1, wherein the resistance value of the detection section changes in accordance with a change in a depletion layer caused by accumulation of charges in the photoelectric conversion section.
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像素子。 4. The reading unit according to any one of claims 1 to 3, wherein the readout unit reads out a signal based on the charge of the photoelectric conversion unit by measuring the number of times a predetermined amount of charge accumulated in the photoelectric conversion unit is accumulated. image sensor.
請求項4に記載の撮像素子。 5. The imaging device according to claim 4, wherein the reading unit reads the charge amount when the charge accumulated in the photoelectric conversion unit is less than a predetermined amount.
を更に備え、
前記転送部は、前記検出部が前記光電変換部における抵抗値の変化を検出した場合に、前記光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送し、
前記読出部は、前記蓄積部に蓄積した電荷を、前記光電変換部の電荷に基づく信号として読み出す
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像素子。 a transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the storage unit,
the transfer unit transfers the charge of the photoelectric conversion unit to the storage unit when the detection unit detects a change in the resistance value of the photoelectric conversion unit;
The imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein the readout section reads out the charge accumulated in the accumulation section as a signal based on the charge of the photoelectric conversion section.
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