JP3667081B2 - 固体撮像装置とその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特徴的には画素アンプの最大取り扱い電荷量（Ｑsat）を増加する固体撮像装置及びその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光電変換信号をＣＣＤ（電荷結合素子）ではなく、ＭＯＳトランジスタによって読み出すＣＭＯＳイメージセンサと呼ばれるイメージセンサの研究開発が活発となっている。このＣＭＯＳイメージセンサはＣＭＯＳロジックＬＳＩプロセスによって作成可能で、周辺回路のオンチップ化が容易であること、低電圧駆動、低消費電力などの点から、とくに携帯用途向けのイメージセンサとして期待されている。このＣＭＯＳイメージセンサの光電変換素子はフォトダイオードから成り、これらは全体的にＣＭＯＳロジックＬＳＩプロセスにより製造されることから、周辺回路を含めて、ＣＭＯＳセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサと称している。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサは画素内に１個以上のＭＯＳＦＥＴを持つ。このうち、光電変換信号をゲート電極の入力とする増幅用ＭＯＳＦＥＴを画素内に設けたものは、光電変換素子で発生したキャリアを一定時間蓄積して信号として読み出すことができるため、高感度タイプの撮像装置に用いられている。
【０００４】
ＣＭＯＳイメージセンサの研究開発初期においては、画素内に形成されるトランジスタの特性ばらつきによる固定パターンノイズが大きく、良好なＳ／Ｎ比を得ることができないと思われてきたが、その後固定パターンノイズを効果的に解消する方式がいくつか提案されている。例えば特開平４−６１５７３号公報では、図１４に示すように容量クランプ回路を用いた読み出し回路が提案されている。この固体撮像装置の動作を、図１３に示す駆動タイミング・チャートを用いて説明する。なお、回路要素および印加パルス、印加電圧の名称は特開平４−６１５７３号公報と同様である。
【０００５】
まずフォトダイオードＤ１からの信号読み出しに先立って、端子ＣＲ１，ＣＲ２，ＣＳ１にパルスを印加することによって、ＭＯＳスイッチＱ１６をオンして、垂直信号線ＶＬ３はＧＮＤレベルに、容量Ｃ１，Ｃ３はともにＶＳＳにリセットされる。その後、端子ＣＲ１のパルスをローレベルにし、端子ＲＳにパルスを印加することによって、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートは電圧ＶＲＳにリセットされる。そしてリセットパルスＲＳをローレベルにした後、端子Ｖ３にハイレベルのパルスを印加すると、選択ＭＯＳＦＥＴＱ３をオンして、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに動作電圧ＶＤＤが供給され、これにより、Ｑ２のゲート電圧に対応した電圧ＶＮが垂直出力線ＶＬ３に読み出される（ノイズ信号）。次に、ＣＲ２のパルスを立ち下げ、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極がフローティングになる。この時、端子Ｖ３はローレベルにし、選択ＭＯＳＦＥＴＱ３はオフ状態にする。そして、端子ＣＲ１にパルスを入力し、垂直出力線ＶＬ３をリセットすると、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極の電位は上記バイアス電圧ＶＳＳから容量Ｃ１とＣ３の容量比に応じて分割された電圧だけ低下した電圧（ＶＳＳ−ＶＮ′）になる。ここでＶＮ′は次式で表される。
【０００６】
ＶＮ′＝Ｃ１×ＶＮ／（Ｃ１＋Ｃ３） （１）
次にＣＲ１の端子のパルスを立ち下げ、端子Ｖ３とＶＧのパルスをハイレベルにし、電荷転送スイッチであるＱ１をオンしてフォトダイオードＤ１に蓄積された信号電荷を、入力容量ＣＰに転送すると同時に、選択ＭＯＳＦＥＴＱ３がオンし、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに動作電圧ＶＤＤが供給され、これにより、Ｑ２のゲート電圧に対応した電圧ＶＳが垂直信号線ＶＬ３に読み出される（光信号）。この動作により、容量Ｃ１の電位はＶＳが容量Ｃ１とＣ３の容量比に応じて分割された電圧分だけ上昇し、（ＶＳＳ−ＶＮ′＋ＶＳ′）になる。
【０００７】
ここでＶＳ′はＶＮ′と同様に以下の式で表される。
【０００８】
ＶＳ′＝Ｃ１×ＶＳ／（Ｃ１＋Ｃ３） （２）
従って、上記容量Ｃ３の電位は最終的に
ＶＣ３＝ＶＳＳ−Ｃ１×（ＶＮ−ＶＳ）／（Ｃ１＋Ｃ３） （３）
となり、（３）式の第２項より、リセットＭＯＳＦＥＴや増幅ＭＯＳＦＥＴのしきい値Ｖｔｈのバラツキ等が除去されたＳ／Ｎの高い信号が得られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＭＯＳイメージセンサのＳ／Ｎ比を向上させる上で、前記した従来例１の固体撮像装置およびその駆動方法のように、固定パターンノイズに対する対策をする一方で、動画表示時のランダムノイズに対するＳ／Ｎ比を高めるため、最大取扱い電荷量（以下、Ｑｓａｔと略す）を増加させる必要がある。
【００１０】
画素部に光電変換素子、転送スイッチおよび光電変換信号をゲート入力とする電界効果トランジスタを有する固体撮像装置において、光電変換素子からゲート電極への光電変換信号の読み出しの際のゲート電極に並列な容量Ｃ（前述の従来例ではＣｐにあたる）の大きさは、転送可能な最大電荷量、すなわち最大取扱い電荷量Ｑｓａｔに影響する。
【００１１】
なぜなら、転送電荷が電子の場合、電荷が転送されるためには、Ｖｇ（ゲート電圧）＞Ｖｐｄ（フォトダイオード電圧）の関係が成り立たなければいけないが、単位電荷が転送されたときのＶｇの低下は、容量Ｃに反比例するため、容量Ｃが小さくなれば、より少ない転送電荷でＶｇが低下してしまうためである。電界効果トランジスタがＭＯＳＦＥＴであるときは、増幅用ＭＯＳＦＥＴのゲート容量はＣに含まれている。ＭＯＳＦＥＴのゲート容量は動作状態によって変化するので、電荷転送時の増幅用ＭＯＳＦＥＴの動作状態によって、最大取扱い電荷量Ｑｓａｔが変化する。
【００１２】
従来技術の駆動方法においてはこの点に対して、配慮が為されていない。例えば図１３に示した従来技術の駆動方法では、転送ゲートパルスＶＧにパルスを印加し、電荷転送を行う際に、垂直出力線ＶＬ３につながるソース電極はフローティングになっており、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２の動作は不定である。仮に、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２がオンになっていたとしても、電荷転送時に選択スイッチＱ３がオンになっているため、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ３のドレイン電極には、ＶＤＤが印加され、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２は５極管動作領域にあり、ゲート容量は３極管動作時より減少している。従って、光電変換素子の読み出し動作のフローティング状態の不定性や増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２の直線動作領域の変動などに問題点を有していた。
【００１３】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法を更に向上して、Ｓ／Ｎを高め、画質に優れた高品質の読み取り画像信号を得ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するもので、画素部に光電変換素子と、前記光電変換素子で発生する光電変換信号をゲート電極に入力する電界効果トランジスタと、前記光電変換素子と前記電界効果トランジスタのゲート電極との導通を制御する転送スイッチを有する固体撮像装置の駆動方法において、前記光電変換素子から前記電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時点に、前記電界効果トランジスタのゲート電圧が、前記電界効果トランジスタのソース電圧と前記電界効果トランジスタのしきい値の和よりも高く、かつ前記電界効果トランジスタのゲート電圧が、前記電界効果トランジスタのドレイン電圧と前記電界効果トランジスタのしきい値の和よりも高く設定することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２１】
〔実施形態１〕
本発明の実施形態として、図１で示す駆動タイミングで図１４の固体撮像装置を駆動した例を示す。この固体撮像装置は、フォトダイオードＤ１に蓄積される光量に応じた光電荷を転送スイッチＱ１を介して増幅用ＭＯＳトランジスタに供給して、選択スイッチをオンして垂直出力線に読み出すものである。
【００２２】
まず、フォトダイオードＤ１からの信号読み出しに先立って、端子ＣＲ１，ＣＲ２，ＣＳ１にパルスを印加することによって（ｔ１）、リセットＭＯＳスイッチＱ１６をオンして、垂直信号線ＶＬ３はＧＮＤレベルに、容量Ｃ１，Ｃ３はともにＶＳＳにリセットされる。その後端子ＣＲ１のパルスをローレベルにし（ｔ２）、端子ＲＳにパルスを印加することによって、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートは電圧ＶＲＳにリセットされる（ｔ３）。そしてリセットパルスＲＳをローレベルにした後、端子Ｖ３にハイレベルのパルスを印加すると（ｔ３）、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに動作電圧ＶＤＤが供給され、これにより、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電圧に対応した電圧ＶＮが垂直出力線ＶＬ３に読み出される（ノイズ信号）。
【００２３】
次に、ＣＲ２のパルスを立ち下げ（ｔ４）、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極がフローティングになる。この時、端子Ｖ３はローレベルにし、選択ＭＯＳＦＥＴＱ３はオフ状態にする。そして、端子ＣＲ１にパルスを入力し、垂直出力線ＶＬ３をリセットすると、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極の電位は上記バイアス電圧ＶＳＳから容量Ｃ１とＣ３の容量比に応じて分割された電圧だけ低下した電圧（ＶＳＳ−ＶＮ′）になる。次に、転送スイッチのゲート電圧ＶＧにハイレベルのパルスを印加し（ｔ５）、フォトダイオードＤ１から電荷転送を行う。このとき、ＣＲ１をハイレベルにして、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のソース電極を接地電圧に固定し、Ｖ３をローレベルにして、ドレイン電極へのＶＤＤの供給を遮断することで、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２の動作を３極管領域に規定することができる。即ち、Ｖ３をローレベルにした時刻ｔ４から、ＶＧにハイレベルを印加する時刻ｔ５までの間に増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレイン電位が接地電位近傍まで下がることにより、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート・ドレイン間電位差がしきい値以上であるというバイアス関係が満たされる。
【００２４】
３極管動作に規定された増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートはゲート幅×ゲート長で決まる面積の大きな酸化膜容量が付加されることになる。このため、最大取扱い電荷量は増加する。
【００２５】
つづいてＶＧをローレベルに（ｔ６）、ＣＲ１をローレベルに、Ｖ３をハイレベルにすると（ｔ７）、転送された電荷量に対応する信号電圧ＶＳが垂直出力線ＶＬ３に発生する。これに伴って、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極の電位は、（ＶＳＳ−ＶＮ′＋ＶＳ′）になる。
【００２６】
図１３に示した従来技術の駆動方法と本実施形態を比較したところ、固定パターンノイズの除去率は変わらなかったが、電荷転送時の増幅用ＭＯＳＦＥＴのゲート容量が増加したため、線形動作領域で扱うことのできる電荷量が増大し、最大取扱い電荷量は１５％増加した。
【００２７】
上記駆動方法では、光電変換素子の画素から画素アンプの電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出しを、転送されてきた画素電荷を電界効果トランジスタのゲートレベルを下げた状態、即ち反転層が形成されている状態で読み出している。
【００２８】
また、光電変換素子の画素から画素アンプの電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時に、電界効果トランジスタのゲート電圧が、電界効果トランジスタのソース電圧と電界効果トランジスタのしきい値の和よりも大きい状態であるともいえる。
【００２９】
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２として図３の固体撮像装置を図２の駆動タイミングで駆動させた例を示す。
【００３０】
まず図３の固体撮像装置の回路構成を説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図３のように接続されている。行選択スイッチ５がオンになると、負荷電流源７と画素アンプ４で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、選択行の出力が垂直出力線６上に発生する。この出力は転送ゲート８を介して、信号蓄積部１１に蓄積される。信号蓄積部１１に一時記憶された出力は水平走査回路１２によって順次出力部へ読み出される。
【００３１】
図２の駆動タイミングで、図３の固体撮像装置を動作させると次のようになる。まず、ΦＲＥＳがハイレベルとなり（ｔ２１）、画素アンプ４のゲート電位がリセット電位（ΦＲＥＳのパルス電位−しきい値電位）にリセットされる。つづいてΦＳＥＬがハイレベルとなり（ｔ２２）、画素アンプ４と負荷電流源７で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、垂直出力線６上にリセット電位に対応したノイズ出力が発生し、信号蓄積部に読み出され、ΦＴＮをハイとして転送ゲート１３をオンとして、ノイズ信号を信号蓄積部１１に一時的に蓄積する。ノイズ信号の読み出し後、ΦＳＥＬおよびΦＴＮはふたたびローレベルになると（ｔ２３）、垂直出力線６の電位は負荷電流源７によって降下する。接地電圧近傍まで達した状態で、転送パルスΦＴＸがハイレベルとなり（ｔ２４）、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。
【００３２】
このとき、画素アンプ４のドレイン電極には電源電圧が供給されていないため、画素アンプは３極管領域で動作している。したがって、画素アンプ４のゲート容量は最大値をとる。しかる後にΦＴＸはローレベルにし（ｔ２５）、ΦＳＥＬおよびΦＴＳをハイレベルにすることで（ｔ２６）、光電変換出力の読み出しを行う。また、ΦＴＸをローレベルにして、読み出しのために、ΦＳＥＬおよびΦＴＳをハイレベルにする時間ｔ２５からｔ２６の時間を管理することで、直線動作領域として、ダイナミックレンジの広い光電荷を得ることができる。
【００３３】
本実施形態では、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送時に、画素アンプ４が３極管動作領域に規定されるため、従来技術の駆動方法と比較して、最大取扱い電荷量は１１％増加した。
【００３４】
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３として図４の駆動タイミングで図５の固体撮像装置を動作させた例を示す。
【００３５】
まず図５の固体撮像装置の回路構成を説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図５のように接続されている。行選択スイッチ５がオンになると、負荷電流源７と画素アンプ４で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、選択行の出力が垂直出力線６上に発生する。この出力は転送ゲート８を介して、信号蓄積部１１に蓄積される。信号蓄積部１１に一時記憶された出力は水平走査回路１２によって順次出力部へ読み出される。また、垂直出力線６を定電位にリセットする垂直出力線リセットスイッチ９が設けられている。図３との違いは、この垂直出力線リセットスイッチ９とこのゲート電極にリセットパルスΦＶＲを供給する点である。
【００３６】
図４の駆動タイミングで図５の固体撮像装置を駆動させると、次のようになる。まずΦＶＲがハイレベルとなり（ｔ３１）、垂直出力線６は定電位（本実施形態では接地電位）にリセットされる。ΦＶＲがローレベルになった後（ｔ３２）、ΦＲＥＳがハイレベルになり（ｔ３３）、画素アンプ４のゲート電位がリセットされる。つづいてΦＲＥＳをローレベルとし、ΦＳＥＬ，ΦＴＮがハイレベルとなり（ｔ３４）、画素アンプ４と負荷電流源７で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、垂直出力線６上にリセット電位に対応したノイズ信号出力が発生し、転送ゲート１３をオンとして、信号蓄積部１１に読み出される。
【００３７】
ノイズ信号出力読み出し後（ｔ３５）、ΦＶＲがハイレベルとなり（ｔ３６）、垂直出力線６はふたたび接地電位にリセットされる。垂直出力線６がリセットされている期間中に、転送パルスΦＴＸにハイレベルのパルスが印加されて（ｔ３７）、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。このとき、画素アンプＭＯＳＦＥＴ４はソース電極が垂直出力線６と同電圧の接地電位に固定され、またドレイン電極に電源電圧が供給されていないため、その動作は３極管領域に規定される。
【００３８】
画素アンプ４のゲート電極に光電荷を転送後（ｔ３８）、ΦＳＥＬ，ΦＴＳがハイレベルとなり（ｔ３９）、垂直出力線６に発生した光電変換出力は、転送ゲート８をオンとして、信号蓄積部１１へと読み出される。前記した実施形態２の場合、電荷転送時に画素アンプ４のソース電極の電位を接地電位近傍まで降下させるために、負荷電流源の電流量をある程度以上大きくするか、もしくはノイズ出力読み出しから電荷転送までのブランクを大きくする必要がある。本実施形態３では垂直出力線リセット動作が可能なため、そのような制約がない。
【００３９】
また、画素アンプ４のゲート電位がフローティング状態のとき垂直出力線６の電位が変化すると、ゲート・ソース間容量を介してフィードバック現象が起こるが、本実施形態３では垂直出力線６の電位が常に接地電位から立ち上がるため、光電変換出力に対するフィードバック量の比は常に一定に保たれ、光電変換出力が線形に保たれるという付加的効果がある。
【００４０】
従来技術の駆動方法に対して、本実施形態の駆動方法では電荷転送時に画素アンプ４のゲート容量が最大となるため、Ｑｓａｔは１３％増加した。
【００４１】
〔実施形態４〕
本発明の実施形態４として、図７の固体撮像装置を、図６の駆動タイミングで駆動させた例を示す。
【００４２】
まず図７の回路構成について説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図７のように接続されている。画素アンプ４は垂直出力線６と行選択スイッチ５を介して接続されており、画素アンプ４と行選択スイッチ５がオンになると、負荷抵抗７によって、反転アンプとして動作する。また、垂直出力線６には垂直出力線リセットスイッチ９が設けられ、定電位（本実施形態では接地電位）にリセットすることができる。画素アンプ４は、図５の固体撮像装置の回路とは、負荷抵抗７による反転アンプとしている点が異なる。
【００４３】
図６の駆動タイミングで図７の固体撮像装置を駆動させると、次のような動作をする。まずΦＲＥＳにハイレベルのパルスが印加され（ｔ４１）、画素アンプ４のゲート電位がリセットされる。つづいてΦＳＥＬ，ΦＴＮがハイレベルとなり（ｔ４２）、転送ゲート１３をオンして、ノイズ信号出力が読み出される。ノイズ信号出力の読み出しが終了した時点で（ｔ４３）、ΦＳＥＬをハイレベルに保った状態で、ΦＶＲがハイレベルとなり（ｔ４４）、垂直出力線６および画素アンプ４のドレイン電極が接地電位にリセットされる。ΦＳＥＬ及びΦＶＲはふたたびローレベルとなり（ｔ４５）、ドレイン電極は接地電位を保持しながら、フローティング状態となる。このとき、画素アンプ４のソース電極は接地されているため、画素アンプ４は３極管領域の動作に規定される。
【００４４】
この状態で、ΦＴＸがハイレベルとなり（ｔ４６）、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。引き続いて、ΦＴＸをローレベルとして（ｔ４７）、行選択パルスΦＳＥＬ及びΦＴＳをハイとして、転送ゲート８をオンして、光電変換信号出力の読み出しが行われる。その後、水平走査回路１２の走査信号ΦＨ（１，２）によって、信号蓄積部１１のノイズ信号と光電変換信号とを順次出力する。
【００４５】
本実施形態では電荷転送時に画素アンプが３極管領域にあり、従来の駆動方法に対して、Ｑｓａｔは２５％増加した。
【００４６】
〔実施形態５〕
本発明の実施形態５として、図８の駆動タイミングで図９の固体撮像装置を動作させた例を示す。
【００４７】
まず図９の固体撮像装置の回路構成を説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図９のように接続されている。行選択スイッチ５がオンになると、負荷電流源７と画素アンプ４で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、選択行の出力が垂直出力線６上に発生する。この出力は転送ゲート８を介して、信号蓄積部１１に蓄積される。信号蓄積部１１に一時記憶された出力は水平走査回路１２によって順次出力部へ読み出される。また、垂直出力線６を定電位にリセットする垂直出力線リセットスイッチ９が設けられている。本図９に示す固体撮像装置と図５に示す固体撮像装置とは、各画素において、画素アンプのソース側に行選択スイッチ５が接続されており、行選択スイッチ５を介して垂直出力線６にノイズ信号及び光電変換信号とを読み出す点である。
【００４８】
図８の駆動タイミングで本固体撮像装置を動作させると次のようになる。まず、ΦＲＥＳにハイレベルのパルスが印加され（ｔ５１）、画素アンプ４のゲート電位がリセット電位にリセットされる。つづいてΦＳＥＬおよびΦＴＮがハイレベルとなり（ｔ５２）、ノイズ出力が信号蓄積部１１へ読み出される。ノイズ出力読み出し後、ΦＴＮはローレベルにされ（ｔ５３）、ΦＶＲはハイレベルとなって（ｔ５４）、垂直出力線６のリセットが行われる。このときΦＳＥＬはハイレベルにあるため、画素アンプ４のソース電位も同時にリセットされ、接地電位に固定される。この状態でΦＴＸにハイレベルのパルスが印加され（ｔ５５）、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。電荷転送に伴って、画素アンプ４のゲート電位は降下するが、行選択スイッチ５を介して、ソース電極が接地電位に固定されているため、画素アンプ４は電荷転送期間中、常にオン状態に規定される。電荷転送後ΦＶＲおよびΦＴＸはローレベルに（ｔ５６）、ΦＴＳはハイレベルにされ（ｔ５７）、光電変換出力の信号蓄積部１１への読み出しが行われる。その後、ΦＳＥＬ及びΦＴＳをローレベルとして、一行分の画素の読み出し動作を終了し、その次の行の画素の読み出し動作に移行する。
【００４９】
本実施形態５ではフォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送時に、画素アンプ４が常にオン状態に規定されているため、従来の駆動方法と比較して、最大取扱い電荷量Ｑｓａｔは４３％増加した。
【００５０】
本実施形態では垂直出力線リセットスイッチ９を有する固体撮像装置を駆動させたが、負荷電流源７の電流量が十分に大きく、電荷転送時に画素アンプ４のソース電位が接地電位まで速やかに降下されるならば、垂直出力線リセットスイッチ９はなくともよい。
【００５１】
〔実施形態６〕
本発明の実施形態６として、図１０の駆動タイミングで図１１の固体撮像装置を駆動させた例を示す。
【００５２】
まず図１１の固体撮像装置の回路構成を説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図９と同様に、図１１のように接続されている。行選択スイッチ５がオンになると、行選択スイッチ５を介して、負荷電流源７と画素アンプ４で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、選択行の出力が垂直出力線６上に発生する。この出力は転送ゲート８及び転送ゲート１４，１５、更に転送ゲート１６を介して、信号蓄積部１１に蓄積される。信号蓄積部１１に一時記憶された出力は水平走査回路１２によって順次出力部へ読み出される。また、垂直出力線を定電位にリセットする垂直出力線リセットスイッチ９が設けられている。また、この固体撮像装置は転送ゲート８，１４〜１６の転送を奇数行及び偶数行に分けて信号蓄積部１１に転送するので、水平ブランキング期間中に２行分の出力を読み出すことが可能である。
【００５３】
図１２は図１１の固体撮像装置の垂直走査回路の構成を示す概念図である。奇数行の選択に対応するΦＳＥＬ１と偶数行の選択に対応するΦＳＥＬ２が独立に与えられることで、同一水平期間中に２行分の出力を信号蓄積部１１に読み出すように構成されている。垂直走査回路１０内に構成された垂直シフトレジスタ１７から垂直クロックパルスΦＶ（ｎ）をＮＯＲ回路１８〜２１の一端に入力し、ＮＯＲ回路１８〜２１の他端には、それぞれ垂直走査回路１０で生成した奇数と偶数行の選択のための行選択パルスΦＳＥＬ１，ΦＳＥＬ２と、リセットパルスΦＲＥＳと、転送パルスΦＴＸとが入力され、その出力に各行の選択パルスと、リセットパルスと、転送スイッチとして供給され、各画素を駆動する。
【００５４】
次に、図１０の駆動タイミングで図１１の固体撮像装置を駆動させたときの動作を説明する。ΦＳＥＬおよびΦＴＳ、ΦＴＮが２系統になっている他はすべてのパルスは奇数行、偶数行に同時に印加される。奇数行側の動作に着目すると、まずΦＲＥＳにハイレベルのパルスが印加され（ｔ６０）、画素アンプ４のゲート電位がリセット電位（ΦＲＥＳのパルス電位−しきい値電位）にリセットされる。つづいてΦＳＥＬ１およびΦＴＮ１がハイレベルとなり（ｔ６１）、奇数行のノイズ信号出力が信号蓄積部１１へ読み出される。奇数行のノイズ信号出力の読み出し終了後、いったんΦＳＥＬ１およびΦＴＮ１はローレベルになり（ｔ６２）、次に、ΦＳＥＬ２およびΦＴＮ２がハイレベルとなり（ｔ６３）、偶数行のノイズ信号出力が信号蓄積部１１へ読み出される。
【００５５】
偶数行のノイズ信号出力の読み出しを行った後（ｔ６４）、ΦＳＥＬ１、ΦＳＥＬ２およびΦＶＲはハイレベルとなり（ｔ６５）、垂直出力線６及び画素アンプ４のソース電極のリセットが行われる（本実施形態では、リセット電位は接地電位としている）。この状態でΦＴＸにハイレベルのパルスが印加され、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。電荷転送に伴って、画素アンプ４のゲート電位は降下するが、ΦＳＥＬ１とΦＳＥＬ２とがハイの状態なので、行選択スイッチ５がオンとなり、ソース電極が接地電位に固定されているため、画素アンプ４は常にオン状態に規定される。奇数行、偶数行の光電変換出力は、それぞれΦＳＥＬ１とΦＴＳ１、ΦＳＥＬ２とΦＴＳ２をハイレベルとすることで（ｔ６７，ｔ６８，ｔ６９，ｔ７０）、信号蓄積部１１へと読み出される。
【００５６】
以下、この駆動方法を繰り返して、エリアセンサとして順次フレーム画像を読み出す。本実施形態では、隣接する奇数行、偶数行の出力を加算するなどして、動画表示に必要なスキャンが可能である。
【００５７】
従来技術の駆動方法においては、電荷転送時に画素アンプ４のソース電極がフローティングであるため、電荷転送に伴って画素アンプ４はオフ状態になっていたが、本実施形態では、画素アンプ４がオン状態に規定されるため、最大取扱い電荷量は従来駆動方法と比較して４５％増加した。
【００５８】
上記各実施形態で説明したように、画素アンプ４の動作を駆動パルスの加えかたにより、画素アンプ４のＭＯＳトランジスタのアナログにおける最適な動作領域で光電変換電荷を読み出しているので、画素電荷の直線性のある３極管領域で動作させることができ、結果的に画素アンプのダイナミックレンジを最大に広げた状態で読み出すこととなる。
【００５９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、回路構成を変えることなく、最大取扱い電荷量Ｑｓａｔを増加することが可能である。また実施形態においてＮＭＯＳを主体とした回路構成を示したが、ＰＭＯＳを主体とした回路構成においても同様な効果を持つことは明らかである。また電界効果トランジスタはＭＯＳ型でなくともよい。
【００６０】
したがって本発明は、画素部に光電変換素子と、光電変換出力をゲート入力とする電界効果トランジスタと、前記光電変換素子と前記電界効果トランジスタのゲート電極との導通を制御する転送スイッチを有する固体撮像装置全般に適用されるものであり、ソースフォロワ型増幅用及び抵抗負荷の反転増幅用の電界効果トランジスタの最大取扱い電荷量Ｑｓａｔを増加することで、ダイナミックレンジを広げ、Ｓ／Ｎの高い、高画質の画像信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の駆動タイミング図である。
【図２】本発明の実施形態２の駆動タイミング図である。
【図３】本発明の実施形態２で使用した固体撮像装置である。
【図４】本発明の実施形態３の駆動タイミング図である。
【図５】本発明の実施形態３で使用した固体撮像装置である。
【図６】本発明の実施形態４の駆動タイミング図である。
【図７】本発明の実施形態４で使用した固体撮像装置である。
【図８】本発明の実施形態５の駆動タイミング図である。
【図９】本発明の実施形態５で使用した固体撮像装置である。
【図１０】本発明の実施形態６の駆動タイミング図である。
【図１１】本発明の実施形態６で使用した固体撮像装置である。
【図１２】図１１の固体撮像装置の垂直走査回路を示す図である。
【図１３】従来技術による固体撮像装置の駆動タイミングの一例を示す図である。
【図１４】従来技術による固体撮像装置の一例である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２ 転送スイッチ
３ リセットスイッチ
４ 画素アンプ
５ 選択スイッチ
６ 垂直出力線
７ 負荷定電流源
７′ 負荷抵抗
８，１３〜１６ 転送ゲート
９ 垂直出力線リセットスイッチ
１０ 垂直走査回路
１１ 信号蓄積部
１２ 水平走査回路
ΦＳＥＬ 行選択パルス
ΦＳＥＬ１ 奇数行選択パルス
ΦＳＥＬ２ 偶数行選択パルス
ΦＲＥＳ リセットパルス
ΦＴＸ 画素部転送スイッチに印加する転送パルス
ΦＴＳ 光電変換出力の転送パルス
ΦＴＳ１ 奇数行の光電変換出力の転送パルス
ΦＴＳ２ 偶数行の光電変換出力の転送パルス
ΦＴＮ ノイズ出力の転送パルス
ΦＴＮ１ 奇数行のノイズ出力の転送パルス
ΦＴＮ２ 偶数行のノイズ出力の転送パルス
ΦＶＲ 垂直出力線リセットパルス
ΦＶ（ｎ） ｎ行目の垂直走査パルス
ΦＨ（ｎ） ｎ列目の水平走査パルス
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特徴的には画素アンプの最大取り扱い電荷量（Ｑsat）を増加する固体撮像装置及びその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光電変換信号をＣＣＤ（電荷結合素子）ではなく、ＭＯＳトランジスタによって読み出すＣＭＯＳイメージセンサと呼ばれるイメージセンサの研究開発が活発となっている。このＣＭＯＳイメージセンサはＣＭＯＳロジックＬＳＩプロセスによって作成可能で、周辺回路のオンチップ化が容易であること、低電圧駆動、低消費電力などの点から、とくに携帯用途向けのイメージセンサとして期待されている。このＣＭＯＳイメージセンサの光電変換素子はフォトダイオードから成り、これらは全体的にＣＭＯＳロジックＬＳＩプロセスにより製造されることから、周辺回路を含めて、ＣＭＯＳセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサと称している。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサは画素内に１個以上のＭＯＳＦＥＴを持つ。このうち、光電変換信号をゲート電極の入力とする増幅用ＭＯＳＦＥＴを画素内に設けたものは、光電変換素子で発生したキャリアを一定時間蓄積して信号として読み出すことができるため、高感度タイプの撮像装置に用いられている。
【０００４】
ＣＭＯＳイメージセンサの研究開発初期においては、画素内に形成されるトランジスタの特性ばらつきによる固定パターンノイズが大きく、良好なＳ／Ｎ比を得ることができないと思われてきたが、その後固定パターンノイズを効果的に解消する方式がいくつか提案されている。例えば特開平４−６１５７３号公報では、図１４に示すように容量クランプ回路を用いた読み出し回路が提案されている。この固体撮像装置の動作を、図１３に示す駆動タイミング・チャートを用いて説明する。なお、回路要素および印加パルス、印加電圧の名称は特開平４−６１５７３号公報と同様である。
【０００５】
まずフォトダイオードＤ１からの信号読み出しに先立って、端子ＣＲ１，ＣＲ２，ＣＳ１にパルスを印加することによって、ＭＯＳスイッチＱ１６をオンして、垂直信号線ＶＬ３はＧＮＤレベルに、容量Ｃ１，Ｃ３はともにＶＳＳにリセットされる。その後、端子ＣＲ１のパルスをローレベルにし、端子ＲＳにパルスを印加することによって、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートは電圧ＶＲＳにリセットされる。そしてリセットパルスＲＳをローレベルにした後、端子Ｖ３にハイレベルのパルスを印加すると、選択ＭＯＳＦＥＴＱ３をオンして、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに動作電圧ＶＤＤが供給され、これにより、Ｑ２のゲート電圧に対応した電圧ＶＮが垂直出力線ＶＬ３に読み出される（ノイズ信号）。次に、ＣＲ２のパルスを立ち下げ、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極がフローティングになる。この時、端子Ｖ３はローレベルにし、選択ＭＯＳＦＥＴＱ３はオフ状態にする。そして、端子ＣＲ１にパルスを入力し、垂直出力線ＶＬ３をリセットすると、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極の電位は上記バイアス電圧ＶＳＳから容量Ｃ１とＣ３の容量比に応じて分割された電圧だけ低下した電圧（ＶＳＳ−ＶＮ′）になる。ここでＶＮ′は次式で表される。
【０００６】
ＶＮ′＝Ｃ１×ＶＮ／（Ｃ１＋Ｃ３） （１）
次にＣＲ１の端子のパルスを立ち下げ、端子Ｖ３とＶＧのパルスをハイレベルにし、電荷転送スイッチであるＱ１をオンしてフォトダイオードＤ１に蓄積された信号電荷を、入力容量ＣＰに転送すると同時に、選択ＭＯＳＦＥＴＱ３がオンし、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに動作電圧ＶＤＤが供給され、これにより、Ｑ２のゲート電圧に対応した電圧ＶＳが垂直信号線ＶＬ３に読み出される（光信号）。この動作により、容量Ｃ１の電位はＶＳが容量Ｃ１とＣ３の容量比に応じて分割された電圧分だけ上昇し、（ＶＳＳ−ＶＮ′＋ＶＳ′）になる。
【０００７】
ここでＶＳ′はＶＮ′と同様に以下の式で表される。
【０００８】
ＶＳ′＝Ｃ１×ＶＳ／（Ｃ１＋Ｃ３） （２）
従って、上記容量Ｃ３の電位は最終的に
ＶＣ３＝ＶＳＳ−Ｃ１×（ＶＮ−ＶＳ）／（Ｃ１＋Ｃ３） （３）
となり、（３）式の第２項より、リセットＭＯＳＦＥＴや増幅ＭＯＳＦＥＴのしきい値Ｖｔｈのバラツキ等が除去されたＳ／Ｎの高い信号が得られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＭＯＳイメージセンサのＳ／Ｎ比を向上させる上で、前記した従来例１の固体撮像装置およびその駆動方法のように、固定パターンノイズに対する対策をする一方で、動画表示時のランダムノイズに対するＳ／Ｎ比を高めるため、最大取扱い電荷量（以下、Ｑｓａｔと略す）を増加させる必要がある。
【００１０】
画素部に光電変換素子、転送スイッチおよび光電変換信号をゲート入力とする電界効果トランジスタを有する固体撮像装置において、光電変換素子からゲート電極への光電変換信号の読み出しの際のゲート電極に並列な容量Ｃ（前述の従来例ではＣｐにあたる）の大きさは、転送可能な最大電荷量、すなわち最大取扱い電荷量Ｑｓａｔに影響する。
【００１１】
なぜなら、転送電荷が電子の場合、電荷が転送されるためには、Ｖｇ（ゲート電圧）＞Ｖｐｄ（フォトダイオード電圧）の関係が成り立たなければいけないが、単位電荷が転送されたときのＶｇの低下は、容量Ｃに反比例するため、容量Ｃが小さくなれば、より少ない転送電荷でＶｇが低下してしまうためである。電界効果トランジスタがＭＯＳＦＥＴであるときは、増幅用ＭＯＳＦＥＴのゲート容量はＣに含まれている。ＭＯＳＦＥＴのゲート容量は動作状態によって変化するので、電荷転送時の増幅用ＭＯＳＦＥＴの動作状態によって、最大取扱い電荷量Ｑｓａｔが変化する。
【００１２】
従来技術の駆動方法においてはこの点に対して、配慮が為されていない。例えば図１３に示した従来技術の駆動方法では、転送ゲートパルスＶＧにパルスを印加し、電荷転送を行う際に、垂直出力線ＶＬ３につながるソース電極はフローティングになっており、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２の動作は不定である。仮に、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２がオンになっていたとしても、電荷転送時に選択スイッチＱ３がオンになっているため、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ３のドレイン電極には、ＶＤＤが印加され、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２は５極管動作領域にあり、ゲート容量は３極管動作時より減少している。従って、光電変換素子の読み出し動作のフローティング状態の不定性や増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２の直線動作領域の変動などに問題点を有していた。
【００１３】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法を更に向上して、Ｓ／Ｎを高め、画質に優れた高品質の読み取り画像信号を得ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するもので、画素部に光電変換素子と、前記光電変換素子で発生する光電変換信号をゲート電極に入力する電界効果トランジスタと、前記光電変換素子と前記電界効果トランジスタのゲート電極との導通を制御する転送スイッチを有する固体撮像装置の駆動方法において、前記光電変換素子から前記電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時点に、前記電界効果トランジスタのゲート電圧が、前記電界効果トランジスタのソース電圧と前記電界効果トランジスタのしきい値の和よりも高く、かつ前記電界効果トランジスタのゲート電圧が、前記電界効果トランジスタのドレイン電圧と前記電界効果トランジスタのしきい値の和よりも高く設定することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２１】
〔実施形態１〕
本発明の実施形態として、図１で示す駆動タイミングで図１４の固体撮像装置を駆動した例を示す。この固体撮像装置は、フォトダイオードＤ１に蓄積される光量に応じた光電荷を転送スイッチＱ１を介して増幅用ＭＯＳトランジスタに供給して、選択スイッチをオンして垂直出力線に読み出すものである。
【００２２】
まず、フォトダイオードＤ１からの信号読み出しに先立って、端子ＣＲ１，ＣＲ２，ＣＳ１にパルスを印加することによって（ｔ１）、リセットＭＯＳスイッチＱ１６をオンして、垂直信号線ＶＬ３はＧＮＤレベルに、容量Ｃ１，Ｃ３はともにＶＳＳにリセットされる。その後端子ＣＲ１のパルスをローレベルにし（ｔ２）、端子ＲＳにパルスを印加することによって、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートは電圧ＶＲＳにリセットされる（ｔ３）。そしてリセットパルスＲＳをローレベルにした後、端子Ｖ３にハイレベルのパルスを印加すると（ｔ３）、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに動作電圧ＶＤＤが供給され、これにより、増幅ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電圧に対応した電圧ＶＮが垂直出力線ＶＬ３に読み出される（ノイズ信号）。
【００２３】
次に、ＣＲ２のパルスを立ち下げ（ｔ４）、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極がフローティングになる。この時、端子Ｖ３はローレベルにし、選択ＭＯＳＦＥＴＱ３はオフ状態にする。そして、端子ＣＲ１にパルスを入力し、垂直出力線ＶＬ３をリセットすると、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極の電位は上記バイアス電圧ＶＳＳから容量Ｃ１とＣ３の容量比に応じて分割された電圧だけ低下した電圧（ＶＳＳ−ＶＮ′）になる。次に、転送スイッチのゲート電圧ＶＧにハイレベルのパルスを印加し（ｔ５）、フォトダイオードＤ１から電荷転送を行う。このとき、ＣＲ１をハイレベルにして、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のソース電極を接地電圧に固定し、Ｖ３をローレベルにして、ドレイン電極へのＶＤＤの供給を遮断することで、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２の動作を３極管領域に規定することができる。即ち、Ｖ３をローレベルにした時刻ｔ４から、ＶＧにハイレベルを印加する時刻ｔ５までの間に増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレイン電位が接地電位近傍まで下がることにより、増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート・ドレイン間電位差がしきい値以上であるというバイアス関係が満たされる。
【００２４】
３極管動作に規定された増幅用ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートはゲート幅×ゲート長で決まる面積の大きな酸化膜容量が付加されることになる。このため、最大取扱い電荷量は増加する。
【００２５】
つづいてＶＧをローレベルに（ｔ６）、ＣＲ１をローレベルに、Ｖ３をハイレベルにすると（ｔ７）、転送された電荷量に対応する信号電圧ＶＳが垂直出力線ＶＬ３に発生する。これに伴って、容量Ｃ１の出力側とＣ３の一方の電極の電位は、（ＶＳＳ−ＶＮ′＋ＶＳ′）になる。
【００２６】
図１３に示した従来技術の駆動方法と本実施形態を比較したところ、固定パターンノイズの除去率は変わらなかったが、電荷転送時の増幅用ＭＯＳＦＥＴのゲート容量が増加したため、線形動作領域で扱うことのできる電荷量が増大し、最大取扱い電荷量は１５％増加した。
【００２７】
上記駆動方法では、光電変換素子の画素から画素アンプの電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出しを、転送されてきた画素電荷を電界効果トランジスタのゲートレベルを下げた状態、即ち反転層が形成されている状態で読み出している。
【００２８】
また、光電変換素子の画素から画素アンプの電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時に、電界効果トランジスタのゲート電圧が、電界効果トランジスタのソース電圧と電界効果トランジスタのしきい値の和よりも大きい状態であるともいえる。
【００２９】
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２として図３の固体撮像装置を図２の駆動タイミングで駆動させた例を示す。
【００３０】
まず図３の固体撮像装置の回路構成を説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図３のように接続されている。行選択スイッチ５がオンになると、負荷電流源７と画素アンプ４で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、選択行の出力が垂直出力線６上に発生する。この出力は転送ゲート８を介して、信号蓄積部１１に蓄積される。信号蓄積部１１に一時記憶された出力は水平走査回路１２によって順次出力部へ読み出される。
【００３１】
図２の駆動タイミングで、図３の固体撮像装置を動作させると次のようになる。まず、ΦＲＥＳがハイレベルとなり（ｔ２１）、画素アンプ４のゲート電位がリセット電位（ΦＲＥＳのパルス電位−しきい値電位）にリセットされる。つづいてΦＳＥＬがハイレベルとなり（ｔ２２）、画素アンプ４と負荷電流源７で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、垂直出力線６上にリセット電位に対応したノイズ出力が発生し、信号蓄積部に読み出され、ΦＴＮをハイとして転送ゲート１３をオンとして、ノイズ信号を信号蓄積部１１に一時的に蓄積する。ノイズ信号の読み出し後、ΦＳＥＬおよびΦＴＮはふたたびローレベルになると（ｔ２３）、垂直出力線６の電位は負荷電流源７によって降下する。接地電圧近傍まで達した状態で、転送パルスΦＴＸがハイレベルとなり（ｔ２４）、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。
【００３２】
このとき、画素アンプ４のドレイン電極には電源電圧が供給されていないため、画素アンプは３極管領域で動作している。したがって、画素アンプ４のゲート容量は最大値をとる。しかる後にΦＴＸはローレベルにし（ｔ２５）、ΦＳＥＬおよびΦＴＳをハイレベルにすることで（ｔ２６）、光電変換出力の読み出しを行う。また、ΦＴＸをローレベルにして、読み出しのために、ΦＳＥＬおよびΦＴＳをハイレベルにする時間ｔ２５からｔ２６の時間を管理することで、直線動作領域として、ダイナミックレンジの広い光電荷を得ることができる。
【００３３】
本実施形態では、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送時に、画素アンプ４が３極管動作領域に規定されるため、従来技術の駆動方法と比較して、最大取扱い電荷量は１１％増加した。
【００３４】
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３として図４の駆動タイミングで図５の固体撮像装置を動作させた例を示す。
【００３５】
まず図５の固体撮像装置の回路構成を説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図５のように接続されている。行選択スイッチ５がオンになると、負荷電流源７と画素アンプ４で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、選択行の出力が垂直出力線６上に発生する。この出力は転送ゲート８を介して、信号蓄積部１１に蓄積される。信号蓄積部１１に一時記憶された出力は水平走査回路１２によって順次出力部へ読み出される。また、垂直出力線６を定電位にリセットする垂直出力線リセットスイッチ９が設けられている。図３との違いは、この垂直出力線リセットスイッチ９とこのゲート電極にリセットパルスΦＶＲを供給する点である。
【００３６】
図４の駆動タイミングで図５の固体撮像装置を駆動させると、次のようになる。まずΦＶＲがハイレベルとなり（ｔ３１）、垂直出力線６は定電位（本実施形態では接地電位）にリセットされる。ΦＶＲがローレベルになった後（ｔ３２）、ΦＲＥＳがハイレベルになり（ｔ３３）、画素アンプ４のゲート電位がリセットされる。つづいてΦＲＥＳをローレベルとし、ΦＳＥＬ，ΦＴＮがハイレベルとなり（ｔ３４）、画素アンプ４と負荷電流源７で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、垂直出力線６上にリセット電位に対応したノイズ信号出力が発生し、転送ゲート１３をオンとして、信号蓄積部１１に読み出される。
【００３７】
ノイズ信号出力読み出し後（ｔ３５）、ΦＶＲがハイレベルとなり（ｔ３６）、垂直出力線６はふたたび接地電位にリセットされる。垂直出力線６がリセットされている期間中に、転送パルスΦＴＸにハイレベルのパルスが印加されて（ｔ３７）、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。このとき、画素アンプＭＯＳＦＥＴ４はソース電極が垂直出力線６と同電圧の接地電位に固定され、またドレイン電極に電源電圧が供給されていないため、その動作は３極管領域に規定される。
【００３８】
画素アンプ４のゲート電極に光電荷を転送後（ｔ３８）、ΦＳＥＬ，ΦＴＳがハイレベルとなり（ｔ３９）、垂直出力線６に発生した光電変換出力は、転送ゲート８をオンとして、信号蓄積部１１へと読み出される。前記した実施形態２の場合、電荷転送時に画素アンプ４のソース電極の電位を接地電位近傍まで降下させるために、負荷電流源の電流量をある程度以上大きくするか、もしくはノイズ出力読み出しから電荷転送までのブランクを大きくする必要がある。本実施形態３では垂直出力線リセット動作が可能なため、そのような制約がない。
【００３９】
また、画素アンプ４のゲート電位がフローティング状態のとき垂直出力線６の電位が変化すると、ゲート・ソース間容量を介してフィードバック現象が起こるが、本実施形態３では垂直出力線６の電位が常に接地電位から立ち上がるため、光電変換出力に対するフィードバック量の比は常に一定に保たれ、光電変換出力が線形に保たれるという付加的効果がある。
【００４０】
従来技術の駆動方法に対して、本実施形態の駆動方法では電荷転送時に画素アンプ４のゲート容量が最大となるため、Ｑｓａｔは１３％増加した。
【００４１】
〔実施形態４〕
本発明の実施形態４として、図７の固体撮像装置を、図６の駆動タイミングで駆動させた例を示す。
【００４２】
まず図７の回路構成について説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図７のように接続されている。画素アンプ４は垂直出力線６と行選択スイッチ５を介して接続されており、画素アンプ４と行選択スイッチ５がオンになると、負荷抵抗７によって、反転アンプとして動作する。また、垂直出力線６には垂直出力線リセットスイッチ９が設けられ、定電位（本実施形態では接地電位）にリセットすることができる。画素アンプ４は、図５の固体撮像装置の回路とは、負荷抵抗７による反転アンプとしている点が異なる。
【００４３】
図６の駆動タイミングで図７の固体撮像装置を駆動させると、次のような動作をする。まずΦＲＥＳにハイレベルのパルスが印加され（ｔ４１）、画素アンプ４のゲート電位がリセットされる。つづいてΦＳＥＬ，ΦＴＮがハイレベルとなり（ｔ４２）、転送ゲート１３をオンして、ノイズ信号出力が読み出される。ノイズ信号出力の読み出しが終了した時点で（ｔ４３）、ΦＳＥＬをハイレベルに保った状態で、ΦＶＲがハイレベルとなり（ｔ４４）、垂直出力線６および画素アンプ４のドレイン電極が接地電位にリセットされる。ΦＳＥＬ及びΦＶＲはふたたびローレベルとなり（ｔ４５）、ドレイン電極は接地電位を保持しながら、フローティング状態となる。このとき、画素アンプ４のソース電極は接地されているため、画素アンプ４は３極管領域の動作に規定される。
【００４４】
この状態で、ΦＴＸがハイレベルとなり（ｔ４６）、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。引き続いて、ΦＴＸをローレベルとして（ｔ４７）、行選択パルスΦＳＥＬ及びΦＴＳをハイとして、転送ゲート８をオンして、光電変換信号出力の読み出しが行われる。その後、水平走査回路１２の走査信号ΦＨ（１，２）によって、信号蓄積部１１のノイズ信号と光電変換信号とを順次出力する。
【００４５】
本実施形態では電荷転送時に画素アンプが３極管領域にあり、従来の駆動方法に対して、Ｑｓａｔは２５％増加した。
【００４６】
〔実施形態５〕
本発明の実施形態５として、図８の駆動タイミングで図９の固体撮像装置を動作させた例を示す。
【００４７】
まず図９の固体撮像装置の回路構成を説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図９のように接続されている。行選択スイッチ５がオンになると、負荷電流源７と画素アンプ４で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、選択行の出力が垂直出力線６上に発生する。この出力は転送ゲート８を介して、信号蓄積部１１に蓄積される。信号蓄積部１１に一時記憶された出力は水平走査回路１２によって順次出力部へ読み出される。また、垂直出力線６を定電位にリセットする垂直出力線リセットスイッチ９が設けられている。本図９に示す固体撮像装置と図５に示す固体撮像装置とは、各画素において、画素アンプのソース側に行選択スイッチ５が接続されており、行選択スイッチ５を介して垂直出力線６にノイズ信号及び光電変換信号とを読み出す点である。
【００４８】
図８の駆動タイミングで本固体撮像装置を動作させると次のようになる。まず、ΦＲＥＳにハイレベルのパルスが印加され（ｔ５１）、画素アンプ４のゲート電位がリセット電位にリセットされる。つづいてΦＳＥＬおよびΦＴＮがハイレベルとなり（ｔ５２）、ノイズ出力が信号蓄積部１１へ読み出される。ノイズ出力読み出し後、ΦＴＮはローレベルにされ（ｔ５３）、ΦＶＲはハイレベルとなって（ｔ５４）、垂直出力線６のリセットが行われる。このときΦＳＥＬはハイレベルにあるため、画素アンプ４のソース電位も同時にリセットされ、接地電位に固定される。この状態でΦＴＸにハイレベルのパルスが印加され（ｔ５５）、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。電荷転送に伴って、画素アンプ４のゲート電位は降下するが、行選択スイッチ５を介して、ソース電極が接地電位に固定されているため、画素アンプ４は電荷転送期間中、常にオン状態に規定される。電荷転送後ΦＶＲおよびΦＴＸはローレベルに（ｔ５６）、ΦＴＳはハイレベルにされ（ｔ５７）、光電変換出力の信号蓄積部１１への読み出しが行われる。その後、ΦＳＥＬ及びΦＴＳをローレベルとして、一行分の画素の読み出し動作を終了し、その次の行の画素の読み出し動作に移行する。
【００４９】
本実施形態５ではフォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送時に、画素アンプ４が常にオン状態に規定されているため、従来の駆動方法と比較して、最大取扱い電荷量Ｑｓａｔは４３％増加した。
【００５０】
本実施形態では垂直出力線リセットスイッチ９を有する固体撮像装置を駆動させたが、負荷電流源７の電流量が十分に大きく、電荷転送時に画素アンプ４のソース電位が接地電位まで速やかに降下されるならば、垂直出力線リセットスイッチ９はなくともよい。
【００５１】
〔実施形態６〕
本発明の実施形態６として、図１０の駆動タイミングで図１１の固体撮像装置を駆動させた例を示す。
【００５２】
まず図１１の固体撮像装置の回路構成を説明する。２×２画素の各画素内にはフォトダイオード１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、画素アンプ４、行選択スイッチ５が設けてあり、図９と同様に、図１１のように接続されている。行選択スイッチ５がオンになると、行選択スイッチ５を介して、負荷電流源７と画素アンプ４で構成されるソース・フォロワー回路が動作状態になり、選択行の出力が垂直出力線６上に発生する。この出力は転送ゲート８及び転送ゲート１４，１５、更に転送ゲート１６を介して、信号蓄積部１１に蓄積される。信号蓄積部１１に一時記憶された出力は水平走査回路１２によって順次出力部へ読み出される。また、垂直出力線を定電位にリセットする垂直出力線リセットスイッチ９が設けられている。また、この固体撮像装置は転送ゲート８，１４〜１６の転送を奇数行及び偶数行に分けて信号蓄積部１１に転送するので、水平ブランキング期間中に２行分の出力を読み出すことが可能である。
【００５３】
図１２は図１１の固体撮像装置の垂直走査回路の構成を示す概念図である。奇数行の選択に対応するΦＳＥＬ１と偶数行の選択に対応するΦＳＥＬ２が独立に与えられることで、同一水平期間中に２行分の出力を信号蓄積部１１に読み出すように構成されている。垂直走査回路１０内に構成された垂直シフトレジスタ１７から垂直クロックパルスΦＶ（ｎ）をＮＯＲ回路１８〜２１の一端に入力し、ＮＯＲ回路１８〜２１の他端には、それぞれ垂直走査回路１０で生成した奇数と偶数行の選択のための行選択パルスΦＳＥＬ１，ΦＳＥＬ２と、リセットパルスΦＲＥＳと、転送パルスΦＴＸとが入力され、その出力に各行の選択パルスと、リセットパルスと、転送スイッチとして供給され、各画素を駆動する。
【００５４】
次に、図１０の駆動タイミングで図１１の固体撮像装置を駆動させたときの動作を説明する。ΦＳＥＬおよびΦＴＳ、ΦＴＮが２系統になっている他はすべてのパルスは奇数行、偶数行に同時に印加される。奇数行側の動作に着目すると、まずΦＲＥＳにハイレベルのパルスが印加され（ｔ６０）、画素アンプ４のゲート電位がリセット電位（ΦＲＥＳのパルス電位−しきい値電位）にリセットされる。つづいてΦＳＥＬ１およびΦＴＮ１がハイレベルとなり（ｔ６１）、奇数行のノイズ信号出力が信号蓄積部１１へ読み出される。奇数行のノイズ信号出力の読み出し終了後、いったんΦＳＥＬ１およびΦＴＮ１はローレベルになり（ｔ６２）、次に、ΦＳＥＬ２およびΦＴＮ２がハイレベルとなり（ｔ６３）、偶数行のノイズ信号出力が信号蓄積部１１へ読み出される。
【００５５】
偶数行のノイズ信号出力の読み出しを行った後（ｔ６４）、ΦＳＥＬ１、ΦＳＥＬ２およびΦＶＲはハイレベルとなり（ｔ６５）、垂直出力線６及び画素アンプ４のソース電極のリセットが行われる（本実施形態では、リセット電位は接地電位としている）。この状態でΦＴＸにハイレベルのパルスが印加され、フォトダイオードＤ１から画素アンプ４のゲート電極への電荷転送が行われる。電荷転送に伴って、画素アンプ４のゲート電位は降下するが、ΦＳＥＬ１とΦＳＥＬ２とがハイの状態なので、行選択スイッチ５がオンとなり、ソース電極が接地電位に固定されているため、画素アンプ４は常にオン状態に規定される。奇数行、偶数行の光電変換出力は、それぞれΦＳＥＬ１とΦＴＳ１、ΦＳＥＬ２とΦＴＳ２をハイレベルとすることで（ｔ６７，ｔ６８，ｔ６９，ｔ７０）、信号蓄積部１１へと読み出される。
【００５６】
以下、この駆動方法を繰り返して、エリアセンサとして順次フレーム画像を読み出す。本実施形態では、隣接する奇数行、偶数行の出力を加算するなどして、動画表示に必要なスキャンが可能である。
【００５７】
従来技術の駆動方法においては、電荷転送時に画素アンプ４のソース電極がフローティングであるため、電荷転送に伴って画素アンプ４はオフ状態になっていたが、本実施形態では、画素アンプ４がオン状態に規定されるため、最大取扱い電荷量は従来駆動方法と比較して４５％増加した。
【００５８】
上記各実施形態で説明したように、画素アンプ４の動作を駆動パルスの加えかたにより、画素アンプ４のＭＯＳトランジスタのアナログにおける最適な動作領域で光電変換電荷を読み出しているので、画素電荷の直線性のある３極管領域で動作させることができ、結果的に画素アンプのダイナミックレンジを最大に広げた状態で読み出すこととなる。
【００５９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、回路構成を変えることなく、最大取扱い電荷量Ｑｓａｔを増加することが可能である。また実施形態においてＮＭＯＳを主体とした回路構成を示したが、ＰＭＯＳを主体とした回路構成においても同様な効果を持つことは明らかである。また電界効果トランジスタはＭＯＳ型でなくともよい。
【００６０】
したがって本発明は、画素部に光電変換素子と、光電変換出力をゲート入力とする電界効果トランジスタと、前記光電変換素子と前記電界効果トランジスタのゲート電極との導通を制御する転送スイッチを有する固体撮像装置全般に適用されるものであり、ソースフォロワ型増幅用及び抵抗負荷の反転増幅用の電界効果トランジスタの最大取扱い電荷量Ｑｓａｔを増加することで、ダイナミックレンジを広げ、Ｓ／Ｎの高い、高画質の画像信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の駆動タイミング図である。
【図２】本発明の実施形態２の駆動タイミング図である。
【図３】本発明の実施形態２で使用した固体撮像装置である。
【図４】本発明の実施形態３の駆動タイミング図である。
【図５】本発明の実施形態３で使用した固体撮像装置である。
【図６】本発明の実施形態４の駆動タイミング図である。
【図７】本発明の実施形態４で使用した固体撮像装置である。
【図８】本発明の実施形態５の駆動タイミング図である。
【図９】本発明の実施形態５で使用した固体撮像装置である。
【図１０】本発明の実施形態６の駆動タイミング図である。
【図１１】本発明の実施形態６で使用した固体撮像装置である。
【図１２】図１１の固体撮像装置の垂直走査回路を示す図である。
【図１３】従来技術による固体撮像装置の駆動タイミングの一例を示す図である。
【図１４】従来技術による固体撮像装置の一例である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２ 転送スイッチ
３ リセットスイッチ
４ 画素アンプ
５ 選択スイッチ
６ 垂直出力線
７ 負荷定電流源
７′ 負荷抵抗
８，１３〜１６ 転送ゲート
９ 垂直出力線リセットスイッチ
１０ 垂直走査回路
１１ 信号蓄積部
１２ 水平走査回路
ΦＳＥＬ 行選択パルス
ΦＳＥＬ１ 奇数行選択パルス
ΦＳＥＬ２ 偶数行選択パルス
ΦＲＥＳ リセットパルス
ΦＴＸ 画素部転送スイッチに印加する転送パルス
ΦＴＳ 光電変換出力の転送パルス
ΦＴＳ１ 奇数行の光電変換出力の転送パルス
ΦＴＳ２ 偶数行の光電変換出力の転送パルス
ΦＴＮ ノイズ出力の転送パルス
ΦＴＮ１ 奇数行のノイズ出力の転送パルス
ΦＴＮ２ 偶数行のノイズ出力の転送パルス
ΦＶＲ 垂直出力線リセットパルス
ΦＶ（ｎ） ｎ行目の垂直走査パルス
ΦＨ（ｎ） ｎ列目の水平走査パルス
Claims (6)
- 画素部に光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生する光電変換信号をゲート電極に入力する電界効果トランジスタと、
前記光電変換素子と前記電界効果トランジスタのゲート電極との導通を制御する転送スイッチを有する固体撮像装置において、
前記光電変換素子から前記電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時点に、前記電界効果トランジスタのゲート電圧が、前記電界効果トランジスタのソース電圧と前記電界効果トランジスタのしきい値の和よりも高く、かつ前記電界効果トランジスタのゲート電圧が、前記電界効果トランジスタのドレイン電圧と前記電界効果トランジスタのしきい値の和よりも高く設定する電圧制御手段を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 画素部に光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生する光電変換信号をゲート電極に入力する電界効果トランジスタと、
前記光電変換素子と前記電界効果トランジスタのゲート電極との導通を制御する転送スイッチを有する固体撮像装置の駆動方法において、
前記光電変換素子から前記電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時点に、前記電界効果トランジスタのゲート電圧が、前記電界効果トランジスタのソース電圧と前記電界効果トランジスタのしきい値の和よりも高く、かつ前記電界効果トランジスタのゲート電圧が、前記電界効果トランジスタのドレイン電圧と前記電界効果トランジスタのしきい値の和よりも高く設定することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。 - 前記電界効果トランジスタのドレイン電極と定電圧源または出力線との間の導通を制御する選択スイッチがあり、前記光電変換素子から前記電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時に、前記選択スイッチが非導通状態にあることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 前記電界効果トランジスタのソース電極と出力線との導通を制御する選択スイッチがあり、前記光電変換素子から前記電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時に前記選択スイッチが導通状態にあることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 前記光電変換素子から前記電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時に、前記電界効果トランジスタのソース電極が定電流源と導通状態にあることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 前記光電変換素子から前記電界効果トランジスタのゲート電極への光電変換信号の読み出し時に、前記電界効果トランジスタのソース電極が定電圧源と導通状態にあることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
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