JP3667220B2 - Solid-state imaging device, imaging system, and driving method of solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device, imaging system, and driving method of solid-state imaging device Download PDF

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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、撮像システム及び固体撮像装置の駆動方法に係わり、特に光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電圧信号を信号増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に任意の電圧を入力する手段と、を有する固体撮像装置、撮像システム及び固体撮像装置の駆動方法に好適に用いられるものである。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像装置の代表的なものには、ホトダイオードおよびCCDシフトレジスタからなるものとホトダイオードおよびMOSトランジスタからなるAPS(Active Pixel Sensor)と呼ばれるものがある。
【0003】
APSは、1画素毎にホトダイオード、MOSスイッチ、ホトダイオードからの信号を増幅するための増幅回路などを含み、「XYアドレッシング」や「センサと信号処理回路の1チップ化」などが可能といった多くのメリットを有している。近年、MOSトランジスタの微細化技術の向上と「センサと信号処理回路の1チップ化」や「低消費電力化」などの要求の高まりから、注目を集めている。
【0004】
図14に従来のASPの画素部およびそれを用いた固体撮像装置の等価回路図を示す。これらは、Eric.R.Fossum氏らによって1995年IEEEのワークショップで報告されている。従来技術の構成を、以下簡単に説明する。
【0005】
光電変換部は、CCD等で用いられている埋め込み型のホトダイオード(PPD)である。埋め込み型のホトダイオードは、表面に濃いp層を設けることで、その上にあるSiO2との界面で発生する暗電流を抑制し、また、蓄積部のn層と表面のp層との間にも接合容量を設けることができ、ホトダイオードの飽和電荷量を増やすことができる。
【0006】
光電変換部で蓄積した光信号電荷をMOSトランジスタからなる電荷転送手段(TX)を介し浮遊拡散領域(FD)に読み出す。
【0007】
この浮遊拡散領域の容量CFDにより信号電荷QsigをQsig/CFDに電圧変換し、不図示のソースフォロワ回路を通して信号を読み出す。
【0008】
埋め込み型のホトダイオードのn層に逆バイアスを印加すると、そのバイアスに応じて表面の濃いp層と基板のPウエルの各接合から空乏層は延びる。この時、ホトダイオード内の電子数は、両空乏層に挟まれた中性領域の電子数にほぼ等しく、空乏層幅に比例して減少する。逆バイアス=0voltの時の前述の中性領域の電子数が飽和電荷量に相当する。逆バイアスにより、両空乏層が延び、両空乏層が接続すると、ホトダイオード内は空乏化し、中性領域がなくなる。この時の逆バイアスを以下、空乏化電圧(又は完全空乏化電圧)と称する。更に逆バイアスを印加するとホトダイオード内の電子濃度は、逆バイアスに対し指数関数的に減少する。上記センサにおいて、読み出した際に、ホトダイオード内が、完全に空乏化すれば、光によって発生した電荷はほぼ完全に浮遊拡散領域に転送されるとともに、ホトダイオード内に電荷はなくなり、電子のリセットが達成される。以下、この様な電荷転送を空乏転送と称する。
【0009】
図15は、ホトダイオードの飽和電荷量Qsatと、飽和電荷を読み出した際の拡散浮遊領域の電圧値VFDsat(図15の▲1▼、▲2▼)と飽和電荷量Qsatに対する空乏化電圧(▲3▼)を示した図である。Aは実用的なホトダイオードに求められる飽和電荷の下限値、B及びEはVFDsat=空乏化電圧となる飽和電荷量の値、Fは実用的な固体撮像装置の飽和電荷量の上限値を示す。
【0010】
VFDsatは以下の式で与えられる。
【0011】
VFDsat=Vres−Qsat/CFD
Vresは、拡散浮遊領域のリセット電圧を示す。
【0012】
一般的にホトダイオードの飽和電荷は、ある値以上は必要であり、その下限の値が図15中のAで示す値である。また、前述の空乏転送を達成するためには、
VFdsat≧空乏化電圧、好ましくはVFdsat>空乏化電圧
を達成することが求められる。
【0013】
よって、図15の▲1▼の場合、この関係を満たす空乏化電圧の上限の値が図15中のBで示す値である。
【0014】
VFDsat<空乏化電圧の場合、ホトダイオードの逆バイアス電圧はVFDと等しくなり、ホトダイオード内には中性領域が存在し、前述の両空乏層からなる容量と浮遊拡散領域の容量との容量分割で読み出されることになる。それとともに、読み出し後でも、ホトダイオード内には、飽和電荷量Qsatに近い量の残留電子が存在し、空乏転送は実現しない。この時の残留電子が残像およびノイズの原因になる。
【0015】
故に、ホトダイオードの飽和電荷量Qsatは、A<Qsat<Bの区間Cを満たすように設計されることが求められる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、飽和電荷量Qsatもしくは空乏化電圧は、製造工程の影響を受けやすいという問題がある。例えば、ホトダイオードのn層を形成する際のイオン打ち込みのドーズ量が10%変動しただけで、空乏化電圧は0.4voltも変動してしまうことがある。
【0017】
この結果、製造歩留まりが低くなってしまう。これらの問題を回避する方法の一つとして、拡散浮遊領域のリセット電圧Vresの値を上げ、図15の直線▲2▼の様にすることで、飽和電荷量Qsatの選択範囲(マージン)を区間A−Eまで広げることができる。この場合には、より高いリセット電圧が必要になる。このことは、信号/ノイズ比を確保するためには高い電源電圧を確保する必要があることを意味し、この点がAPSの低電圧化を妨げる大きな要因となっている。
【0018】
周知のとおり、高い電源電圧は消費電力の上昇をもたらす。又、ロジック回路と集積化する場合にはロジック回路の低い電源電圧とは別にセンサチップ用に別の高い電源電圧を用意する必要がある。これは、APSチップの性能を落とすことになる。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、従来よりも、低消費電力で、ノイズの少ない固体撮像装置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供することにある。
【0020】
本発明の別の目的は、電源電圧やリセット電圧を高くすることなく、空乏転送が可能な固体撮像装置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供することにある。
【0021】
本発明は、光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷の一部を前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った後、
前記電荷電圧変換部をリセットし、その後、前記光電荷の残りを前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す読み出し動作を行うことを特徴とする。
【0022】
又、別の本発明は、光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する固体撮像装置であって、
蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷の一部を、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った後、
前記電荷電圧変換部をリセットし、その後、前記光電変換部から前記光電荷の残りを前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す読み出し動作を行うように制御する制御回路を具備することを特徴とする。
【0025】
本発明によれば、一単位の蓄積期間中に蓄積された光電荷を読み出す際に、読み出し動作を2回以上行うことで、リセット電圧をさほど高めることなく、光電変換部に残留する光電荷を読み出すことができる。さらに、読み出された出力信号を加算すれば広いダイナミックレンジの信号を得ることができる。
【0026】
そして、本発明は、第1の蓄積期間中に蓄積された信号を読み出した後、第2の蓄積期間に入り、第2の蓄積期間中に蓄積された信号を読み出し、それらの信号を加算してダイナミックレンジを拡大する公知の技術とは、異なることに留意されたい。
【0027】
【発明の実施の形態】
図1、図2及び図3を用いて本発明の基本的な動作原理について詳細に説明する。
【0028】
図1は、本発明の原理を説明するための固体撮像装置の一部の断面とそのポテンシャルの関係を模式的に示す図である。
【0029】
図2は、本発明の固体撮像装置の駆動方法を示す駆動タイミング図である。
【0030】
図3は、本発明の固体撮像装置の一画素の回路図である。
【0031】
図1において、(a)は、光電変換部としてのホトダイオードと、電荷転送手段としての転送ゲートと、電荷電圧変換部(半導体拡散領域)としての浮遊拡散領域と、リセット手段としてのリセットスイッチとを含む部分の断面を示している。
【0032】
101はホトダイオードのアノードとしても機能するPウエル、102は転送ゲート、103はn型半導体からなる浮遊拡散領域である。
【0033】
104はP型半導体からなるホトダイオードの表面p領域、105はn型半導体からなるホトダイオードのカソードとして機能するn領域であり、この表面P領域の存在により埋め込みホトダイオードが形成されている。106は酸化シリコンなどの絶縁膜、107はn型半導体からなるリセット領域であり、配線などを通じて所定のリセット電圧が与られ、該リセット領域は所定のリセット電位に維持される。108は浮遊拡散領域103を所定の電位にリセットするリセットスイッチのリセットゲートである。n領域105と浮遊拡散領域103の一部は転送スイッチのソース、ドレイン領域となる。浮遊拡散領域103とリセット領域107の一部はリセットスイッチのソース、ドレイン領域となる。浮遊拡散領域103は不図示の信号増幅手段となる増幅用トランジスタのゲートに接続され、信号増幅手段の入力部となる。
【0034】
そして、転送ゲート、浮遊拡散領域、リセットスイッチ及び増幅用トランジスタにより出力手段が構成され、ホトダイオードに蓄積された光電荷(ここでは電子)を読み出すために用いられる。
【0035】
この構成が用いられた固体撮像装置の一画素の回路図は図3のようになり、505がホトダイオード、Q1が転送スイッチ、Q2がリセットスイッチ、Q3が増幅用トランジスタで示されている。Q4は画素を選択するとともに増幅用トランジスタから電流増幅された出力信号を読み出す選択スイッチである。
【0036】
図1において、(b)は転送スイッチをオンして電荷の一部を転送している時の状態を示し、(c)は転送スイッチをオフした直後の状態を示し、(d)はリセットスイッチをオンして浮遊拡散領域をリセットした後リセットスイッチをオフした直後の状態を示し、(e)は再び転送スイッチをオンして残留電荷を空乏転送した状態を示している。
【0037】
時系列的には(a),(b),(c),(d),(e)の順で動作が進行する。
【0038】
上述した動作を含めた駆動タイミングの概略について図2を参照して説明する。
【0039】
なお、図2中の「リセット」は、リセットするためのMOSトランジスタへの駆動パルスに限定されるものではなく、リセット動作全般を示し、パルスがハイ(ON)状態にあることは、そのリセット動作を行っていることを示している。また、「読み出し」についても同様であり、この「読み出し」は読み出し動作全般をさし、パルスがハイ(ON)状態にあることは、その読み出し動作を行っていることを示している。
【0040】
まず、ホトダイオードへの光電荷の蓄積が開始される。
【0041】
必要に応じて、期間T0において、選択スイッチQ4をオンして、浮遊拡散領域103のリセット電圧に基づく信号を読み出す。この信号は増幅用トランジスタにより増幅されるので、この画素のノイズ信号とみなすことができる。
【0042】
次に、期間T1において、図1の(b)に示すように、転送スイッチをオンして蓄積期間の途中でホトダイオード505のn領域105からから浮遊拡散領域103に光電荷の一部を転送する。
【0043】
転送後において、飽和状態に近い強い光で露光されたホトダイオードでは、図1の(c)に示すように、光電荷の残部が残っている。非常に弱い光で露光されたホトダイオードでは、全ての電荷が転送されることもある。
【0044】
期間T3において、選択スイッチQ4をオンして、浮遊拡散領域103に転送された電荷に基づいて増幅された出力信号を読み出す。
【0045】
そして、期間T4において、リセットスイッチQ2をオンして、浮遊拡散領域の電位をリセットする。リセット後の状態が図1の(d)に示した状態である。
【0046】
更に、必要に応じて、期間T5において、選択スイッチQ4をオンして、浮遊拡散領域103のリセット電圧に基づく信号を読み出す。この信号は増幅用トランジスタにより増幅されるので、この画素のノイズ信号とみなすことができる。
【0047】
期間T6において、再び、転送スイッチをオンして蓄積期間を終了させ、ホトダイオード505のn領域105から浮遊拡散領域103に光電荷の残部を転送する。このときの状態を図1の(e)に示す。
【0048】
機械式シャッターなどの固体撮像装置外部のシャッターにより、蓄積時間を制御しない場合には、厳密に言えば期間T1における転送時の蓄積時間より、期間T6における転送時の蓄積時間の方が長くなる。しかしながら、期間T1以前の蓄積時間(露光時間が)十分に長いために、期間T1終了から期間T6開始までの時間は無視することができる。
【0049】
期間T6終了後には、全てのホトダイオード505のn領域105が空乏化しているので、全ホトダイオードが初期状態にリセットされたことになる。このときホトダイオードが露光されていれば、この期間T6終了後から次の蓄積期間が開始となる。
【0050】
更に、期間T7において、選択スイッチQ4をオンして、浮遊拡散領域103の転送電荷に基づく信号を読み出す。そして、画素外の回路において、必要に応じて、期間T3において読み出した信号と、期間T7において読み出した信号を加算する。
【0051】
期間T7終了後、リセットスリッチQ2を再びオンして、浮遊拡散領域103の電位をリセットする。
【0052】
本実施形態による作用について詳述する。
【0053】
ここで再び図15を参照して、ホトダイオードの飽和電荷量QsatがB−F間の値である場合について考える。
【0054】
この場合、浮遊拡散領域103に与えるリセット電圧を高くして、B−F間でVFdsat>空乏化電圧とすれば、一回の転送動作で空乏転送が実現できる。
【0055】
これに対して、直線▲1▼のようにリセット電圧を低くした場合、直線▲1▼、▲3▼の関係より、ホトダイオードに飽和電荷量相当の電荷が蓄積されている状態で転送スイッチを開く(図2のT1期間に転送ゲート102をハイレベルとして転送スイッチをオンする)と、VFDsat<空乏化電圧のため、転送動作によってもホトダイオード内には、多くの電荷が残留している。その様子は図1の(b)に示したとおりである。
【0056】
従来の技術のうち、ある一つの方法では、この状態で転送スイッチを閉じ(図2のT2期間のように転送ゲート102をローレベルとして転送スイッチをオフし)、次の蓄積を開始していた。よって、ホトダイオードでは、次の蓄積期間に蓄積された信号電荷を読み出す時に、前回転送しきれなかった残留電荷が混ざった信号となり、残像の原因となっていた。
【0057】
この問題を解決するために、ホトダイオードの空乏化電圧を更に下げる方法を採用すると、固体撮像装置で取り扱える電荷量が少なくなり、固体撮像装置としての性能が十分に発揮できないことになる。そこで、取り扱い電荷量を確保するために、やむを得ず電源電圧を高くしていた。
【0058】
このため、画素部に微細なMOSトランジスタを使用することが難しく、APSセンサの微細化が困難になっていた。
【0059】
本発明においては、初回(1回目)の信号読み出し期間T3が終了した後、図2のリセット期間T4においてリセットゲート108をハイレベルとしてリセットを行う。そうすると、図1の(d)のように信号増幅手段の入力となる浮遊拡散領域103が一旦リセットされる。その後、期間T6において、転送ゲート102をハイレベルとして転送スイッチを開いて信号転送を行い、図1の(e)の様に残留電荷を読み出し、その後期間T7において、前回の信号読み出しで読み出せなかった信号分を読み出す。こうして、ホトダイオードに蓄積された光電荷は全て転送され、ホトダイオードは完全空乏化する。
【0060】
この後、浮遊拡散領域のリセットを行えば、今回の蓄積期間に基づく残像はなくなる。
【0061】
また、必要であれば、更に信号増幅手段の入力部となる浮遊拡散領域103を一旦リセットした後に3回目の読み出す動作を行ってもよい。勿論、4回以上の読み出し動作を行っても良い。
【0062】
さらに、ホトダイオード内の電荷が充分読み出せる回数だけ、前述の読み出し動作を繰り返し行えば、残像もなくホトダイオードが取り扱える最大電荷を読み出すことが可能である。
【0063】
また、本発明においては、前述の信号増幅手段からの信号を加算すること、たとえば、前述のように、3回の読み出し動作を行って得られた信号増幅手段からの3回分の出力を加算することで、より多くの光電荷信号の情報を読み出すこともできる。
【0064】
従来センサからの出力信号を加算するという考え方は有ったものの、そのような技術は、カメラの測光センサなどに代表されるよう実質的に蓄積時間が異なる出力を加算するものであった。
【0065】
また、同一の蓄積時間の信号を加算する技術としては、色処理などに代表されるように、他画素の信号を加算する技術であった。
【0066】
これに対して、本発明の実施形態では、同一画素の一単位の蓄積時間の信号を分割して読み出し加算する。
【0067】
加算する手段は、幾つかあり、例えば、信号増幅手段からの出力をデジタル変換した後、デジタル的に加算するAD変換器とデジタル加算回路を採用することができる。また各回数の出力に重み付けをして加算する重み付け加算回路を採用してもよく、重み付け加算することで光量の範囲に応じ感度やガンマを変えることができる。また、デジタル変換前にアナログ的に加算するアナログ加算器を用いても良い。
【0068】
特にホトダイオードが埋め込み型ホトダイオードであった場合は、各転送動作毎には、リセットノイズなどのノイズが重畳されないため、加算した情報は、電源電圧を高くし1回の読み出しで読み出した情報と何ら遜色のないものである。
【0069】
この点について、以下さらに詳細に述べる。
【0070】
前述のようにホトダイオード内の電荷すべて転送できる回数だけ、前述の転送・読み出し動作を繰り返し行い、その信号を加算する。ここで重要なのは、仮に各読み出し時に読み出される電荷がばらついたとしても埋め込みホトダイオードを用いた場合、最終的には全電荷を読み出すため、加算すれば全電荷量になる。よって、読み出しを分割することによるノイズは乗らないところである。具体的な例で説明すると、蓄積の結果、電荷が100個蓄積され、各回の読み出しが、1回目で50個の電荷、2回目で40個の電荷が読み出された場合、埋め込みホトダイオード内には10個の電荷しか残っていないため3回目は10個となる。従って、加算した結果は、100個となる。原理的には各回での読み出し電荷の数は揺らぎ、1回目が48個の電荷、2回目が38個の電荷が読み出される場合もあるが、この場合は埋め込みホトダイオード内には、14個の電荷しか残っていないため、3回目は14個となり、加算した結果は、100個となる。
【0071】
この結果、ホトダイオードは所望の飽和電荷量Qsatを転送できる条件、Vres>空乏化電圧を満たせばよいことになり、従来技術と比較して、より一層の低電圧化が可能である。
【0072】
以上述べた通り、本発明によれば、読み出し動作を2回以上行うことで光電変換部に残留する光電荷を読み出すことができ、さらに読み出された信号を加算することにより、広いダイナミックレンジの光信号を得ることができる。
【0073】
当然のことながら本発明は、画素が1次元に配列されたリニアセンサおよび画素が2次元に配列されたエリアセンサのいずれにも有効であるが、画素縮小にニーズの強いエリアセンサにおいては、トランジスタのタイプや数に制限が多く、回路的な対応がとれない分、本発明はより有効に用いられる。
【0074】
(実施形態1)
本実施形態に用いた画素の等価回路図は図3に示したものと同じであり、本実施例はこの画素を2次元に配列してエリアセンサとしたものである。
【0075】
図3において、505が光電変換部にあたる埋め込み型のホトダイオードである。埋め込み型のホトダイオードは、本実施例においては、基体に形成されたp型半導体からなるウエル中に、光電荷を蓄積するためのn型の蓄積層と、このn層とその上の絶縁層との間に表面の暗電流を抑えるための不純物濃度の高いP型半導体からなるp+層とを設け、図1に示したような埋め込みホトダイオードとした。このホトダイオードの空乏化電圧は、1.0voltである。
【0076】
信号増幅手段Q3としてソースフォロワアンプの入力トランジスタとしてnMOSトランジスタを、選択スイッチQ4として読み出す行を選択するためにnMOSトランジスタを用いた。
【0077】
不図示ではあるが、ソースフォロワの負荷として定電流負荷を信号出力線504に接続している。
【0078】
ソースフォロワの入力端子をリセットするためのリセットスイッチQ2としてnMOSトランジスタを用いた。
【0079】
ホトダイオード505の光信号を入力部に転送するための転送スイッチQ1として、ホトダイオードのn層と浮遊拡散領域との間の領域上に転送ゲートを設けた。この転送ゲートが信号増幅手段であるソースフォロワの入力部への電荷転送手段にあたる。
【0080】
501はリセット用及び増幅用の基準電圧を与える電源線、502はリセットスイッチQ2の動作を制御するためのリセットスイッチ線、503は選択スイッチQ4の動作を制御するための選択スイッチ線、506は転送スイッチの動作を制御するための転送スイッチ線である。
【0081】
図4は、本発明に用いられる、加算手段を備えた読み出し回路の模式的な回路図である。
【0082】
図4において、601は、画素であり、図3に示す画素を簡略して表現したものである。
【0083】
各画素の出力は、信号出力線604に接続されている出力信号保持手段602に読み出される。出力信号を一旦保持するための出力信号保持手段602には、具体的には複数の容量素子を用いることができる。本実施形態の場合、初回(1回目)の読み出し時には図4中のスイッチS1を開閉し、出力信号を容量に保持する。2回目の読み出し時には、スイッチS2を開閉して、別の容量に出力信号を保持し、最後(3回目)の読み出し時には、スイッチS3を開閉して、更に別の容量に出力信号を保持する。
【0084】
各容量に保持された信号は、信号加算手段603としてのアナログ加算器により加算され、水平走査回路605で時系列信号に変換されて、出力アンプ606より出力される。
【0085】
図4の回路は減算処理手段を含んでいないが、出力信号保持手段602に減算処理手段を含むように構成することもできる。この場合には、減算処理されノイズが除去された信号が出力信号加算手段603で加算され、水平走査回路605により出力線に出力され、出力アンプ606を介して出力されることになる。
【0086】
加算手段603としては、図5に示すようなクランプ方式の加算回路を用いることも出来る。
【0087】
図5において、3つの入力端子には容量素子(クランプ容量)が直列に接続されており、容量素子の出力側にはリセット用スイッチとソースホロワからなる増幅用トランジスタが接続されている。読み出された出力信号は3つのクランプ容量により加算されて、増幅用トランジスタから出力される。
【0088】
駆動タイミングの概略は以下のとおりである。
【0089】
転送スイッチQ1のオフ状態あるいはシャッターを開くことにより、ホトトランジスタへの露光を開始する。
【0090】
1フィールド走査期間あるいは1フレーム走査期間に相当する期間を経た後、リセットスイッチQ2をONからOFFにしソースフォロワの入力部をリセットした後にフローティング状態にする。
【0091】
次に、転送スイッチQ1を開閉し、ホトダイオード505に蓄積された光電荷の一部をソースフォロアの入力部に転送する。
【0092】
画素の選択スイッチQ4をオンするとともに、スイッチS1を開閉することにより容量602に出力信号を保持する。
【0093】
再び、リセットスイッチQ2を開閉し、ソースフォロアの入力部をリセットしフローティング状態にする。転送スイッチQ1を開閉し、ホトダイオード505に蓄積された光電荷の残りの一部をソースフォロアの入力部に転送する。
【0094】
先ほどと同様、今度は2回目の読み出し信号を得るために、画素の選択スイッチQ4をオンするとともに、スイッチS2を開閉することにより容量602に出力信号を保持する。
【0095】
3回目の読み出し信号を得るために、リセットスイッチQ2を開閉し、ソースフォロアの入力部をリセットしフローティング状態にてから、転送スイッチQ1を開閉し、ホトダイオード505に蓄積された光電荷の残りをソースフォロアの入力部に転送する。そして、画素の選択スイッチQ4をオンするとともに、スイッチS3を開閉することにより容量602に出力信号を保持する。
【0096】
本実施の形態によれば、飽和状態にあるホトダイオードから信号を転送し読み出す場合であっても、3回の転送及び読み出し動作により、ホトダイオードを完全に空乏化させることができる。蓄積電荷量が少ないホトダイオードにおいては、2回目の転送動作によって完全に電荷が転送され、ホトダイオードは完全空乏化リセットされる。さらに蓄積電荷量がより少ないホトダイオードにおいては、一回目の転送動作によって空乏化リセットが達成されるものもある。
【0097】
従来は、ソースフォロワの出力信号振幅を2.5volt確保するために、電源電圧=5.0volt、リセット電圧=3.5volt、で駆動せざるを得なかった。
【0098】
一方、本実施の形態では、電源電圧=3.3volt、リセット電圧=1.8voltに下げたにも関わらず、従来と同等の良好な光信号を得ることができる。
【0099】
また、前述の性能を達成するために、従来は、電源電圧が5.0voltを必要とし、0.8μmルールのMOSトランジスタプロセスを使用せざるを得なかったのに対し、本実施の形態では、電源電圧を3.3voltにすることができ、0.35μmルールのMOSトランジスタを用いることができる。
【0100】
(実施形態2)
本実施形態による固体撮像装置の各画素の物理的構成及び回路構成は、実施形態1と同じである。
【0101】
実施形態1と異なる点は、読み出し回路として図6に示した回路を用いた点にある。
【0102】
図6は、本発明に用いられる、加算手段を備えた読み出し回路の模式的な回路図である。
【0103】
各画素の出力は、信号出力線704に接続されている出力信号保持手段702に読み出される。出力信号を一旦保持するための出力信号保持手段702には、具体的には複数の容量素子を用いることができる。本実施形態の場合、初回(1回目)の読み出し時には図6中のスイッチS1を開閉し、ノイズ信号及び出力信号を容量に保持する。2回目の読み出し時には、スイッチS2を開閉して、別の容量にノイズ信号及び出力信号を保持し、最後(3回目)の読み出し時には、スイッチS3を開閉して、更に別の容量にノイズ信号及び出力信号を保持する。
【0104】
各容量に保持されたノイズ信号及び出力信号は、水平走査回路705で時系列信号に変換されて、出力アンプ706より出力される。
【0105】
駆動タイミングチャートを図7に示す。
【0106】
リセットスイッチQ2をONからOFFにしソースフォロワの入力部をリセットした後にフローティング状態にする。画素の選択スイッチQ4をオンして、このリセット動作により発生したリセットノイズを出力信号線704に読み出し、スイッチS1の一方を開閉してノイズ信号を保持するための容量に転送する。図7の読み出し用のハイレベルパルスS1(N)はスイッチS1の一方を開く信号である。
【0107】
次に、転送スイッチQ1を開閉し、ホトダイオード505から光信号をソースフォロアの入力部に転送し、光信号成分を入力部に残留するリセットノイズに重畳させる。選択スイッチQ4をオンしてこの光信号を出力線704に読み出し、この信号をもう一つの容量にスイッチS1の他方を開いて保持する。図7の読み出し用のハイレベルのパルスS1(S)はスイッチS1の他方を開く信号である。
【0108】
その後、再びリセットスイッチQ2を開閉し、ソースフォロアの入力部をリセットしフローティング状態にする。先ほどと同様、今度は2回目の読み出し信号を得るために、ハイレベルのパルスS2(N)、S2(S)によりスイッチS2を順次開閉し、出力信号を夫々の容量にリセットノイズと光信号とを保持する。
【0109】
更に、3回目の読み出し信号を得るために、同様にハイレベルのパルスS3(N)、S3(S)でスイッチS3を順次開閉しノイズと出力信号を夫々の容量に保持する。
【0110】
本実施例においては、3回目の読み出しにより、飽和状態あるいはシステム上最大蓄積量の電荷が蓄積された状態にある埋め込みホトダイオード内の電荷が全て転送できるように、ホトダイオード並びにリセット電圧を設計している。
【0111】
従来は、ソースフォロワの出力信号振幅を2.5volt確保するために、電源電圧=5.0volt、リセット電圧=3.5volt、で駆動せざるを得なかった。
【0112】
一方、本実施例では、電源電圧=3.3volt、リセット電圧=1.8voltに下げたにも関わらず、従来と同等の良好な光信号を得ることができた。
【0113】
また、前述の性能を達成するために、従来は、電源電圧が5.0voltを必要とし、最小線幅0.8μmルールのMOSトランジスタプロセスを使用せざるを得なかったのに対し、本実施例では、電源電圧を3.3voltにすることができるとともに、最小線幅0.35μmルールのMOSトランジスタを用いることができた。
【0114】
(実施形態3)
図8は、本実施形態による1画素及び読み出し回路の回路図である。
【0115】
901、901’はリセット用電圧及び増幅用トランジスタの電源電圧を与える電源線、902、902’はリセットスイッチQ2、Q2’の動作を制御するリセットスイッチ線、904は信号出力線、905はホトダイオード、906、906’は転送スイッチQ1、Q1’の動作を制御する転送スイッチ線である。
【0116】
実施形態1、2においては、1画素に一つソースフォロワを配置したものであり、読み出すたびに時系列的にソースフォロワの入力部をリセットしていた。
【0117】
本実施形態においては、1画素に2つのソースフォロワQ3およびQ3’を配置されている。ここでは、ソースフォロアQ3およびQ3’の入力部を、リセットスイッチQ2、Q2’をオンすることにより同時にリセットする。
【0118】
その後、選択スイッチQ4とスイッチS1のノイズ用のスイッチおよび選択スイッチQ4’とスイッチS2のノイズ用のスイッチを順次開閉し、リセットノイズ信号をそれぞれスイッチS1,S2に接続されるノイズ用の容量に保持する。
【0119】
続いて、転送スイッチQ2,Q2’を順次または同時に開閉し、ソースフォロアQ3およびQ3’の入力部に電荷を転送し、順次、選択スイッチQ4、Q4’を開閉して、光信号情報を含んだ信号出力をそれぞれスイッチS1,S2に接続される信号用の容量に信号を保持する。
【0120】
そして、水平走査回路を用いて信号を共通出力線に読み出して、共通出力線上で加算して出力し、差動アンプによりノイズ抑制処理を施し、出力する。
【0121】
(実施形態4)
図9は本実施形態による固体撮像装置の回路図である。
【0122】
ここでは、第1の信号出力線904と平行に第2の信号出力線904’を配置し、ソースフォロアQ3’の出力を第2の信号出力線に読み出すことで、ノイズ信号および光信号を含んだ信号出力の読み出しを並列に行うことができる。つまり、選択スイッチQ4、Q4’を同時に開閉することができる。
【0123】
本実施形態により、実施形態1と同様に低電圧でかつ広いダイナミックレンジの光信号を得ると同時に、画素サイズは大きくなるものの実施形態1、2に比べ読み出しのための時間を短縮することができた。
【0124】
(実施形態5)
例えば、実施例1の固体撮像装置の読み出し回路を変更して、順次読み出しを行った信号を夫々デジタル信号に変換してからデジタル処理により信号の加算を行うこともできる。
【0125】
このデジタル処理においては、重みを可変とした、重み付け加算を簡単に行うことができるので、その結果、例えば、図10に示すように、信号の加算をプログラマブルに設定できる。この方法を用いれば、例えば、光量の範囲に応じ感度を変えることができる。
【0126】
(実施形態6)
本実施の形態による固体撮像装置の回路を図11に示す。基本的な構成や動作は実施形態2と同じである。異なる点は、ソースフォロワの入力部たる電荷電圧変換部の容量CFDを小さくて一信号出力線あたりの読み出し容量の組を3組から2組に減らして、2回の動作で転送及び読み出しを行うようにした点である。
【0127】
具体的には、感度を向上させるためにソースフォロワの入力部にたる電荷電圧変換部の容量CFDを4fF程度にした。
【0128】
CFD=7fF程度では、入力部における1電子あたりの電荷変換係数は、23μV/電子である。
【0129】
本実施形態では、CFD=4fF程度に設計し、電荷変換係数を40μV/電子とした。
【0130】
従来技術では、感度を上げるために、容量値を小さくしてしまうとその分ダイナミックレンジは小さくなってしまっていた。具体的には取り扱い電荷が57%に減少してしまい、感度の向上とダイナミックレンジの拡大は両立することが困難であった。
【0131】
本実施形態例では、電源電圧=5.0voltとし、2回の読み出しにより、ホトダイオード内に蓄積できる最大電荷量を完全に転送し読み出すことが可能であり、この2回の読み出しによる信号を共通の水平出力線上で加算した。この結果、ダイナミックレンジを確保しつつ、感度を約2倍に向上させることができる。
【0132】
(実施形態7)
本実施形態の固体撮像装置の3画素の回路図を図12に示す。
【0133】
本実施形態は、3つのホトダイオードからなる光電変換部と3つの転送スイッチに対し、一つの増幅手段であるソースフォロワアンプ、選択スイッチ及びリセットスイッチが接続されて3画素を構成している。
【0134】
1301は電源線、1302はリセットスイッチ線、1303は選択スイッチ線、1305a〜1305cはホトダイオード,1306は転送スイッチ線である。
【0135】
本実施形態の特徴は、各ホトダイオード部の信号をそれぞれの転送スイッチを開閉することで選択的に読み出せる一方、3つの転送スイッチを同時に開閉することでソースフォロワの入力端子上で3つホトダイオードの信号を加算できるところにある。3つのホトダイオードを加算した場合は、1つのホトダイオードの場合と比較して信号量が増加する。従来では、加算しても、ソースフォロワの入力端子上での信号振幅で制限されてしまっていたが、転送動作を複数回繰り返すことにより一単位の蓄積期間に蓄積された電荷に基づく信号をよみだせば、本発明を適用することで、加算したすべての信号を読み出すことができる。
【0136】
また、本発明においては、初回に読み出した信号を使わずに、2回目或いはそれ以降の信号を用いるモードを選択して、所定の露光量以上の信号のみを抽出できるようにすることも可能である。
【0137】
例えば、3回以上の読み出しを行う場合に、初回の信号を加算せずに、2回目読み出し信号のみを選択して加算すれば、デジタル演算することなしに、ある露光光量以上の信号を簡単に抽出することが可能となる。
【0138】
また、画素部分の駆動に用いられる電源を3.3voltにすることができるため、単一の電源でアナログ−デジタル変換器とともに駆動をすることができる。さらには、画素部分とアナログ−デジタル変換器を同一のチップ上に作製することが容易にできる。
【0139】
図13に本発明による上記撮像装置を用いたシステム概略図を示す。
【0140】
同図に示すように、光学系71を通って入射した画像光は固体撮像装置72上に結像する。固体撮像装置72によって光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は信号処理回路73によってホワイトバランス補正、ガンマ補正、輝度信号形成、色信号形成、輪郭補正処理等予め決められた方法によって信号変換処理され、出力される。信号処理された信号は、記録系、通信系74により情報記録装置により記録、あるいは情報転送される。記録、あるいは転送された信号は再生系77により再生される。固体撮像装置72、信号処理回路73はタイミング制御回路75により制御され、光学系71、タイミング制御回路75、記録系・通信系74、再生系77はシステムコントロール回路76により制御される。タイミング制御回路75により独立読み出しか、加算・間引き読み出しかを選択することができる。
【0141】
70は必要に応じて設けられ、固体撮像装置72の露光時間を定める機械式シャッターである。
【0142】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)電源電圧を下げても広いダイナミックレンジのセンサ信号を得ることができる。
(2)上記(1)の効果により、より微細なMOSトランジスタを使用することができ、画素の縮小化が可能となる。
(3)微細なMOSトランジスタの使用が可能になったため、単一の電源で、高性能なデジタルICとの使用が可能となる。
(4)微細なMOSトランジスタの使用が可能になったため、単一の電源で、高性能なデジタルICとの1チップ化が可能となる。
(5)ダイナミックレンジを劣化させることなく、感度向上が可能となる。
【0143】
【発明の効果】
本発明によれば、従来よりも、低消費電力で、ノイズの少ない固体撮像装置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供することができる。
【0144】
或いは、電源電圧やリセット電圧を高くすることなく、空乏転送が可能な固体撮像装置及びその駆動方法並びに撮像システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる固体撮像装置の画素部構成とその動作を説明するための模式図である。
【図2】本発明による、画素部の駆動タイミング図である。
【図3】本発明に用いられる画素部の代表的な回路図である。
【図4】本発明に用いられる加算回路を有する読み出し回路の模式的な回路図である。
【図5】本発明に用いられる加算回路の一例を示す図である。
【図6】本発明に用いられる別の加算回路を有する読み出し回路の模式的な回路図である。
【図7】本発明に用いられる画素部の駆動タイミング図である。
【図8】本発明に用いられる別の固体撮像装置の回路図である。
【図9】本発明に用いられる更に別の固体撮像装置の回路図である。
【図10】光量と演算後の出力信号の関係の一例を示す図である。
【図11】本発明に用いられる他の読み出し回路の回路図である。
【図12】本発明に用いられる他の固体撮像装置の画素部の回路図である。
【図13】本発明に用いられる撮像システムのブロック図である。
【図14】従来の固体撮像装置の動作を説明するための模式図である。
【図15】ホトダイオードの飽和電荷量と浮遊拡散領域の電位の関係を示す図である。
【符号の説明】
101 Pウエル
102 転送スイッチのゲート
103 浮遊拡散領域
104 ホトダイオードの表面p領域
105 ホトダイオードのn領域
106 酸化膜
107 リセット領域
108 リセットスイッチのゲート
501 電源線
502 リセットスイッチ線
503 選択スイッチ線
504 信号出力線
505 埋め込み型のホトダイオード
506 転送スイッチ線
Q1 転送スイッチ
Q2 リセットスイッチ
Q3 入力MOSトランジスタ(信号増幅手段)
Q4 選択スイッチ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device, an imaging system, and a driving method of the solid-state imaging device, and in particular, a photoelectric conversion unit, a charge-voltage conversion unit that converts charge from the photoelectric conversion unit into a voltage signal, and signal amplification of the voltage signal A solid-state imaging device, an imaging system, and a signal amplifying unit, a charge transfer unit that transfers photocharge from the photoelectric conversion unit to the charge-voltage conversion unit, and a unit that inputs an arbitrary voltage to the charge-voltage conversion unit And a solid-state imaging device driving method.
[0002]
[Prior art]
Representative solid-state imaging devices include a photodiode and a CCD shift register, and an APS (Active Pixel Sensor) that includes a photodiode and a MOS transistor.
[0003]
APS includes a photodiode, a MOS switch, an amplifier circuit for amplifying the signal from the photodiode for each pixel, and has many advantages such as "XY addressing" and "single chip of sensor and signal processing circuit". have. In recent years, it has attracted attention because of improvements in MOS transistor miniaturization technology and increasing demands such as “single-chip sensor and signal processing circuit” and “low power consumption”.
[0004]
FIG. 14 shows an equivalent circuit diagram of a pixel portion of a conventional ASP and a solid-state imaging device using the pixel portion. These were reported at a 1995 IEEE workshop by Eric.R.Fossum et al. The configuration of the prior art will be briefly described below.
[0005]
The photoelectric conversion unit is an embedded photodiode (PPD) used in a CCD or the like. Embedded photodiodes have a thick p-layer on the surface, and SiO on top of it.2In addition, a dark current generated at the interface between the storage region and the p layer on the surface can be provided between the n layer of the storage portion and the surface p layer, and the saturation charge amount of the photodiode can be increased.
[0006]
The optical signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit is read out to the floating diffusion region (FD) through the charge transfer means (TX) made of a MOS transistor.
[0007]
The signal charge Qsig is converted to Qsig / CFD by the capacitance CFD of the floating diffusion region, and the signal is read through a source follower circuit (not shown).
[0008]
When a reverse bias is applied to the n-layer of the buried photodiode, the depletion layer extends from each junction of the p-layer having a high surface and the P-well of the substrate in accordance with the bias. At this time, the number of electrons in the photodiode is approximately equal to the number of electrons in the neutral region sandwiched between the two depletion layers, and decreases in proportion to the depletion layer width. The number of electrons in the neutral region described above when the reverse bias = 0 volt corresponds to the saturation charge amount. When both depletion layers are extended by reverse bias and the two depletion layers are connected, the photodiode is depleted and the neutral region disappears. The reverse bias at this time is hereinafter referred to as a depletion voltage (or a complete depletion voltage). When a reverse bias is further applied, the electron concentration in the photodiode decreases exponentially with respect to the reverse bias. In the above sensor, if the photodiode is completely depleted when reading, the charge generated by the light is almost completely transferred to the floating diffusion region, and the charge disappears in the photodiode and the electron reset is achieved. Is done. Hereinafter, such charge transfer is referred to as depletion transfer.
[0009]
FIG. 15 shows a saturation charge amount Qsat of the photodiode, a voltage value VFDsat (1) and (2) in FIG. 15) of the diffusion floating region when the saturation charge is read, and a depletion voltage (3) with respect to the saturation charge amount Qsat. It is the figure which showed (▼). A is a lower limit value of saturation charge required for a practical photodiode, B and E are VFDsat = saturation charge value at which the depletion voltage is reached, and F is an upper limit value of the saturation charge amount of a practical solid-state imaging device.
[0010]
VFDsat is given by the following equation.
[0011]
VFDsat = Vres−Qsat / CFD
Vres indicates the reset voltage of the diffusion floating region.
[0012]
In general, the saturation charge of the photodiode needs to be a certain value or more, and the lower limit value is a value indicated by A in FIG. In order to achieve the above depletion transfer,
VFdsat ≧ depletion voltage, preferably VFdsat> depletion voltage
Is required to be achieved.
[0013]
Therefore, in the case of (1) in FIG. 15, the upper limit value of the depletion voltage that satisfies this relationship is the value indicated by B in FIG.
[0014]
When VFDsat <depletion voltage, the reverse bias voltage of the photodiode is equal to VFD, and there is a neutral region in the photodiode, which is read out by dividing the capacitance of both depletion layers and the capacitance of the floating diffusion region as described above. Will be. At the same time, even after reading, there is an amount of residual electrons close to the saturation charge amount Qsat in the photodiode, and depletion transfer is not realized. Residual electrons at this time cause afterimages and noise.
[0015]
Therefore, the saturation charge amount Qsat of the photodiode is required to be designed so as to satisfy the section C of A <Qsat <B.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a problem that the saturation charge amount Qsat or the depletion voltage is easily affected by the manufacturing process. For example, the depletion voltage may fluctuate as much as 0.4 volts just by a 10% fluctuation in the ion implantation dose when forming the n-layer of the photodiode.
[0017]
As a result, the manufacturing yield is lowered. One way to avoid these problems is to raise the value of the reset voltage Vres in the diffusion floating region and make it as shown by the straight line (2) in FIG. It can be extended to A-E. In this case, a higher reset voltage is required. This means that it is necessary to ensure a high power supply voltage in order to ensure the signal / noise ratio, and this is a major factor that hinders APS voltage reduction.
[0018]
As is well known, a high power supply voltage causes an increase in power consumption. Further, when integrating with a logic circuit, it is necessary to prepare another high power supply voltage for the sensor chip in addition to the low power supply voltage of the logic circuit. This degrades the performance of the APS chip.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device, a driving method thereof, and an imaging system with lower power consumption and less noise than conventional ones.
[0020]
Another object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of depletion transfer without increasing the power supply voltage and reset voltage, a driving method thereof, and an imaging system.
[0021]
  The present inventionA photoelectric conversion unit; a charge voltage conversion unit that converts charges from the photoelectric conversion unit into a voltage signal; signal amplification means that amplifies the voltage signal generated in the charge voltage conversion unit; and A solid-state imaging device driving method comprising: charge transfer means for transferring photocharge to a voltage conversion section; and reset means for resetting by applying a predetermined reset voltage to the charge voltage conversion section,
  A part of the photoelectric charge accumulated in the photoelectric conversion unit during the accumulation period is transferred from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit, and the output signal amplified by the signal amplification means is read to the signal output line for the first time After performing the read operation,
  Resetting the charge-voltage converter, and then transferring the remainder of the photoelectric charge from the photoelectric converter to the charge-voltage converter, and reading the output signal amplified by the amplifying means to the signal output line. It is characterized by performing.
[0022]
  Another invention of the present inventionA photoelectric conversion unit; a charge voltage conversion unit that converts charges from the photoelectric conversion unit into a voltage signal; signal amplification means that amplifies the voltage signal generated in the charge voltage conversion unit; and A solid-state imaging device having charge transfer means for transferring photocharge to the voltage conversion section, and reset means for resetting by applying a predetermined reset voltage to the charge voltage conversion section,
  The first time that a part of the photoelectric charge accumulated in the photoelectric conversion unit during the accumulation period is transferred from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit, and the output signal amplified by the signal amplification means is read to the signal output line After performing the read operation of
  Resetting the charge-voltage converter, and then transferring the remainder of the photoelectric charge from the photoelectric converter to the charge-voltage converter, and reading out the output signal amplified by the amplifying means to the signal output line It is characterized by comprising a control circuit for controlling to perform.
[0025]
According to the present invention, when the photoelectric charge accumulated during one unit accumulation period is read out, the photoelectric charge remaining in the photoelectric conversion unit can be reduced without increasing the reset voltage by performing the read operation twice or more. Can be read. Furthermore, a signal with a wide dynamic range can be obtained by adding the read output signals.
[0026]
Then, the present invention reads out the signal accumulated during the first accumulation period, then enters the second accumulation period, reads out the signal accumulated during the second accumulation period, and adds the signals. Note that this is different from known techniques for expanding the dynamic range.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The basic operation principle of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0028]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the relationship between a partial cross section of a solid-state imaging device and its potential for explaining the principle of the present invention.
[0029]
FIG. 2 is a drive timing chart showing the method for driving the solid-state imaging device of the present invention.
[0030]
FIG. 3 is a circuit diagram of one pixel of the solid-state imaging device of the present invention.
[0031]
In FIG. 1, (a) shows a photodiode as a photoelectric conversion unit, a transfer gate as a charge transfer unit, a floating diffusion region as a charge-voltage conversion unit (semiconductor diffusion region), and a reset switch as a reset unit. The cross section of the containing part is shown.
[0032]
101 is a P well that also functions as an anode of a photodiode, 102 is a transfer gate, and 103 is a floating diffusion region made of an n-type semiconductor.
[0033]
Reference numeral 104 denotes a surface p region of a photodiode made of a P-type semiconductor, and reference numeral 105 denotes an n region that functions as a cathode of the photodiode made of an n-type semiconductor, and a buried photodiode is formed by the presence of this surface P region. Reference numeral 106 denotes an insulating film such as silicon oxide, and reference numeral 107 denotes a reset region made of an n-type semiconductor. A predetermined reset voltage is applied through a wiring or the like, and the reset region is maintained at a predetermined reset potential. Reference numeral 108 denotes a reset gate of a reset switch that resets the floating diffusion region 103 to a predetermined potential. Part of the n region 105 and the floating diffusion region 103 becomes the source and drain regions of the transfer switch. A part of the floating diffusion region 103 and the reset region 107 becomes a source / drain region of the reset switch. The floating diffusion region 103 is connected to the gate of an amplifying transistor which is not shown, and serves as an input portion of the signal amplifying means.
[0034]
An output means is constituted by the transfer gate, the floating diffusion region, the reset switch, and the amplifying transistor, and is used for reading out the photoelectric charges (here, electrons) accumulated in the photodiode.
[0035]
A circuit diagram of one pixel of the solid-state imaging device using this configuration is as shown in FIG. 3, where 505 is a photodiode, Q1 is a transfer switch, Q2 is a reset switch, and Q3 is an amplifying transistor. Q4 is a selection switch that selects a pixel and reads out an output signal that has been current amplified from an amplifying transistor.
[0036]
In FIG. 1, (b) shows a state when the transfer switch is turned on to transfer a part of the charge, (c) shows a state immediately after the transfer switch is turned off, and (d) shows a reset switch. FIG. 4E shows a state immediately after turning on and resetting the floating diffusion region, and immediately after turning off the reset switch, and FIG. 5E shows a state in which the transfer switch is turned on again and the residual charge is depleted.
[0037]
In time series, the operation proceeds in the order of (a), (b), (c), (d), (e).
[0038]
An outline of drive timing including the above-described operation will be described with reference to FIG.
[0039]
Note that “reset” in FIG. 2 is not limited to the drive pulse to the MOS transistor for resetting, but indicates the entire reset operation, and that the pulse is in the high (ON) state indicates that the reset operation It shows that you are doing. The same applies to “read”, and this “read” refers to the entire read operation, and the fact that the pulse is in a high (ON) state indicates that the read operation is being performed.
[0040]
First, accumulation of photocharge in the photodiode is started.
[0041]
If necessary, in the period T0, the selection switch Q4 is turned on to read a signal based on the reset voltage of the floating diffusion region 103. Since this signal is amplified by the amplifying transistor, it can be regarded as a noise signal of this pixel.
[0042]
Next, in period T1, as shown in FIG. 1B, a transfer switch is turned on to transfer part of the photocharge from the n region 105 of the photodiode 505 to the floating diffusion region 103 in the middle of the accumulation period. .
[0043]
After the transfer, in the photodiode exposed with intense light close to saturation, the remainder of the photocharge remains as shown in FIG. In a photodiode exposed with very weak light, all charges may be transferred.
[0044]
In a period T3, the selection switch Q4 is turned on, and an output signal amplified based on the charge transferred to the floating diffusion region 103 is read.
[0045]
In the period T4, the reset switch Q2 is turned on to reset the potential of the floating diffusion region. The state after reset is the state shown in FIG.
[0046]
Further, if necessary, in the period T5, the selection switch Q4 is turned on to read a signal based on the reset voltage of the floating diffusion region 103. Since this signal is amplified by the amplifying transistor, it can be regarded as a noise signal of this pixel.
[0047]
In period T 6, the transfer switch is turned on again to end the accumulation period, and the remaining photocharge is transferred from the n region 105 of the photodiode 505 to the floating diffusion region 103. The state at this time is shown in FIG.
[0048]
When the accumulation time is not controlled by a shutter outside the solid-state imaging device such as a mechanical shutter, strictly speaking, the accumulation time at the transfer in the period T6 is longer than the accumulation time at the transfer in the period T1. However, since the accumulation time (exposure time) before the period T1 is sufficiently long, the time from the end of the period T1 to the start of the period T6 can be ignored.
[0049]
After the end of the period T6, the n regions 105 of all the photodiodes 505 are depleted, so that all the photodiodes are reset to the initial state. If the photodiode is exposed at this time, the next accumulation period starts after the end of this period T6.
[0050]
Further, in the period T7, the selection switch Q4 is turned on to read a signal based on the transfer charge in the floating diffusion region 103. Then, in the circuit outside the pixel, the signal read in the period T3 and the signal read in the period T7 are added as necessary.
[0051]
After the period T7 ends, the reset rich Q2 is turned on again to reset the potential of the floating diffusion region 103.
[0052]
The effect | action by this embodiment is explained in full detail.
[0053]
Here, referring again to FIG. 15, a case is considered where the saturation charge amount Qsat of the photodiode is a value between BF.
[0054]
In this case, if the reset voltage applied to the floating diffusion region 103 is increased so that VFdsat> depletion voltage between BF, depletion transfer can be realized by one transfer operation.
[0055]
On the other hand, when the reset voltage is lowered as shown by the straight line (1), the transfer switch is opened in a state where charges corresponding to the saturation charge amount are accumulated in the photodiode due to the relations of the straight lines (1) and (3). When the transfer gate 102 is set to the high level and the transfer switch is turned on during the period T1 in FIG. 2, since VFDsat <depletion voltage, a large amount of charge remains in the photodiode even by the transfer operation. The situation is as shown in FIG.
[0056]
In one method of the prior art, the transfer switch is closed in this state (the transfer switch is turned off by setting the transfer gate 102 to the low level as in the period T2 in FIG. 2), and the next accumulation is started. . Therefore, in the photodiode, when the signal charge accumulated in the next accumulation period is read out, the signal becomes a signal in which the residual charges that could not be transferred last time are mixed, causing a residual image.
[0057]
If a method of further reducing the depletion voltage of the photodiode is employed to solve this problem, the amount of charge that can be handled by the solid-state imaging device is reduced, and the performance as a solid-state imaging device cannot be fully exhibited. Therefore, in order to secure a handling charge amount, the power supply voltage has been inevitably increased.
[0058]
For this reason, it is difficult to use a fine MOS transistor in the pixel portion, and miniaturization of the APS sensor has been difficult.
[0059]
In the present invention, after the first (first) signal readout period T3 ends, the reset gate 108 is set to the high level in the reset period T4 in FIG. Then, as shown in FIG. 1 (d), the floating diffusion region 103 that is the input of the signal amplification means is temporarily reset. Thereafter, in the period T6, the transfer gate 102 is set to the high level and the transfer switch is opened to perform signal transfer, and the residual charge is read out as shown in FIG. Read the signal. Thus, all of the photocharge stored in the photodiode is transferred, and the photodiode is completely depleted.
[0060]
Thereafter, if the floating diffusion region is reset, the afterimage based on the current accumulation period disappears.
[0061]
Further, if necessary, a third reading operation may be performed after resetting the floating diffusion region 103 as an input part of the signal amplification means once. Of course, four or more read operations may be performed.
[0062]
Further, if the above read operation is repeated as many times as the charge in the photodiode can be sufficiently read, it is possible to read the maximum charge that can be handled by the photodiode without an afterimage.
[0063]
In the present invention, the signals from the signal amplifying means are added, for example, the outputs from the signal amplifying means obtained by performing the read operation three times as described above are added. As a result, it is possible to read more information of the photocharge signal.
[0064]
Conventionally, there has been a concept of adding output signals from sensors, but such a technique adds outputs having substantially different accumulation times as represented by a photometric sensor of a camera.
[0065]
Further, as a technique for adding signals having the same accumulation time, a technique for adding signals from other pixels is used, as represented by color processing.
[0066]
On the other hand, in the embodiment of the present invention, a signal of an accumulation time of one unit of the same pixel is divided and read and added.
[0067]
There are several means for adding. For example, an AD converter and a digital adder circuit that digitally add after digitally converting the output from the signal amplifying means can be employed. Further, a weighted addition circuit that weights and adds each number of outputs may be employed, and by performing weighted addition, the sensitivity and gamma can be changed according to the light amount range. Further, an analog adder that performs analog addition before digital conversion may be used.
[0068]
In particular, when the photodiode is an embedded photodiode, noise such as reset noise is not superimposed for each transfer operation, so the added information is no different from the information read in one reading with a higher power supply voltage. There is nothing.
[0069]
This point will be described in more detail below.
[0070]
As described above, the above-described transfer / read operation is repeated as many times as the charge in the photodiode can be transferred, and the signals are added. What is important here is that even if the charges read at the time of reading vary, when the embedded photodiode is used, all charges are finally read out. Therefore, noise due to the division of reading is not picked up. As a specific example, when 100 charges are accumulated as a result of accumulation and 50 charges are read at each time and 40 charges are read at the second time, the charge is stored in the embedded photodiode. Since there are only 10 charges left, the third time becomes 10. Therefore, the result of addition is 100. In principle, the number of read charges fluctuates each time, and 48 charges may be read in the first time and 38 charges may be read in the second time. In this case, 14 charges are stored in the embedded photodiode. Since there are only remaining, the third time is 14 and the result of addition is 100.
[0071]
As a result, the photodiode only needs to satisfy the condition that the desired saturation charge amount Qsat can be transferred, that is, Vres> depletion voltage, so that the voltage can be further reduced as compared with the prior art.
[0072]
As described above, according to the present invention, the photoelectric charge remaining in the photoelectric conversion unit can be read out by performing the reading operation twice or more, and by adding the read signals, a wide dynamic range can be obtained. An optical signal can be obtained.
[0073]
As a matter of course, the present invention is effective for both linear sensors in which pixels are arranged one-dimensionally and area sensors in which pixels are arranged two-dimensionally. The present invention can be used more effectively because there are many restrictions on the types and numbers of the devices and the circuit cannot be handled.
[0074]
(Embodiment 1)
The equivalent circuit diagram of the pixel used in this embodiment is the same as that shown in FIG. 3, and in this embodiment, the pixel is two-dimensionally arranged to form an area sensor.
[0075]
In FIG. 3, reference numeral 505 denotes an embedded photodiode corresponding to the photoelectric conversion unit. In this embodiment, the buried type photodiode includes an n-type accumulation layer for accumulating photocharges in a well made of a p-type semiconductor formed on a substrate, an n layer and an insulating layer thereon. P made of a P-type semiconductor with a high impurity concentration to suppress the dark current on the surface during+A buried photodiode as shown in FIG. 1 was obtained. The depletion voltage of this photodiode is 1.0 volt.
[0076]
As the signal amplifying means Q3, an nMOS transistor is used as an input transistor of the source follower amplifier, and an nMOS transistor is used to select a row to be read as the selection switch Q4.
[0077]
Although not shown, a constant current load is connected to the signal output line 504 as a load of the source follower.
[0078]
An nMOS transistor was used as the reset switch Q2 for resetting the input terminal of the source follower.
[0079]
As a transfer switch Q1 for transferring the optical signal of the photodiode 505 to the input section, a transfer gate is provided on a region between the n-layer of the photodiode and the floating diffusion region. This transfer gate corresponds to charge transfer means to the input part of the source follower which is signal amplification means.
[0080]
501 is a power supply line for supplying a reference voltage for reset and amplification, 502 is a reset switch line for controlling the operation of the reset switch Q2, 503 is a selection switch line for controlling the operation of the selection switch Q4, and 506 is transfer. This is a transfer switch line for controlling the operation of the switch.
[0081]
FIG. 4 is a schematic circuit diagram of a readout circuit provided with addition means used in the present invention.
[0082]
In FIG. 4, reference numeral 601 denotes a pixel, which is a simplified representation of the pixel shown in FIG.
[0083]
The output of each pixel is read out by the output signal holding means 602 connected to the signal output line 604. Specifically, a plurality of capacitive elements can be used as the output signal holding means 602 for temporarily holding the output signal. In the present embodiment, at the first (first) reading, the switch S1 in FIG. 4 is opened and closed, and the output signal is held in the capacitor. At the time of the second reading, the switch S2 is opened and closed to hold the output signal in another capacitor, and at the last (third time) reading, the switch S3 is opened and closed to hold the output signal at another capacitor.
[0084]
The signals held in the capacitors are added by an analog adder as the signal adding means 603, converted into a time series signal by the horizontal scanning circuit 605, and output from the output amplifier 606.
[0085]
Although the circuit of FIG. 4 does not include a subtraction processing unit, the output signal holding unit 602 may be configured to include a subtraction processing unit. In this case, the signal from which the noise is removed by the subtraction process is added by the output signal adding means 603, output to the output line by the horizontal scanning circuit 605, and output via the output amplifier 606.
[0086]
As the adding means 603, a clamp type adding circuit as shown in FIG. 5 can be used.
[0087]
In FIG. 5, capacitive elements (clamp capacitors) are connected in series to three input terminals, and an amplifying transistor including a reset switch and a source follower is connected to the output side of the capacitive element. The read output signals are added by the three clamp capacitors and output from the amplifying transistor.
[0088]
The outline of the drive timing is as follows.
[0089]
Exposure to the phototransistor is started by turning off the transfer switch Q1 or opening the shutter.
[0090]
After a period corresponding to one field scanning period or one frame scanning period, the reset switch Q2 is turned from ON to OFF to reset the input part of the source follower, and then the floating state is set.
[0091]
Next, the transfer switch Q1 is opened and closed, and a part of the photoelectric charge accumulated in the photodiode 505 is transferred to the input part of the source follower.
[0092]
An output signal is held in the capacitor 602 by turning on the pixel selection switch Q4 and opening and closing the switch S1.
[0093]
Again, the reset switch Q2 is opened and closed to reset the input part of the source follower to a floating state. The transfer switch Q1 is opened and closed to transfer the remaining part of the photocharge accumulated in the photodiode 505 to the input part of the source follower.
[0094]
  As before, this time the pixel selection switch Q4 is turned on to obtain the second readout signal, and the switchS2The output signal is held in the capacitor 602 by opening and closing.
[0095]
  To obtain the third read signal, open and close the reset switch Q2, reset the input part of the source follower and put it in a floating stateShiAfter that, the transfer switch Q1 was opened and closed and accumulated in the photodiode 505.The rest of the photo chargeTo the input of the source follower. Then, the pixel selection switch Q4 is turned on and the switchS3The output signal is held in the capacitor 602 by opening and closing.
[0096]
According to this embodiment, even when a signal is transferred and read from a photodiode in a saturated state, the photodiode can be completely depleted by three transfer and read operations. In the photodiode with a small amount of accumulated charge, the charge is completely transferred by the second transfer operation, and the photodiode is completely depleted and reset. Further, in some photodiodes with a smaller amount of accumulated charge, depletion reset is achieved by the first transfer operation.
[0097]
Conventionally, in order to secure 2.5 volt of the output signal amplitude of the source follower, it was necessary to drive at a power supply voltage = 5.0 volt and a reset voltage = 3.5 volt.
[0098]
On the other hand, in this embodiment, a good optical signal equivalent to the conventional one can be obtained even though the power supply voltage is reduced to 3.3 volts and the reset voltage is set to 1.8 volts.
[0099]
Further, in order to achieve the above-described performance, the power supply voltage conventionally required 5.0 volts, and the MOS transistor process of the 0.8 μm rule had to be used. The power supply voltage can be 3.3 volts, and a 0.35 μm rule MOS transistor can be used.
[0100]
(Embodiment 2)
The physical configuration and circuit configuration of each pixel of the solid-state imaging device according to the present embodiment are the same as those of the first embodiment.
[0101]
The difference from the first embodiment is that the circuit shown in FIG. 6 is used as the readout circuit.
[0102]
FIG. 6 is a schematic circuit diagram of a readout circuit provided with addition means used in the present invention.
[0103]
The output of each pixel is read out by the output signal holding means 702 connected to the signal output line 704. Specifically, a plurality of capacitive elements can be used as the output signal holding means 702 for temporarily holding the output signal. In the present embodiment, at the first (first) reading, the switch S1 in FIG. 6 is opened and closed, and the noise signal and the output signal are held in the capacitor. At the time of the second reading, the switch S2 is opened and closed to hold the noise signal and the output signal in another capacitor, and at the last (third time) reading, the switch S3 is opened and closed to further open the noise signal and the other capacitor. Holds the output signal.
[0104]
The noise signal and the output signal held in each capacitor are converted into a time series signal by the horizontal scanning circuit 705 and output from the output amplifier 706.
[0105]
A drive timing chart is shown in FIG.
[0106]
The reset switch Q2 is turned from ON to OFF to reset the input part of the source follower, and then enter the floating state. The pixel selection switch Q4 is turned on, reset noise generated by the reset operation is read out to the output signal line 704, and one of the switches S1 is opened and closed and transferred to a capacitor for holding the noise signal. A high level pulse S1 (N) for reading in FIG. 7 is a signal for opening one of the switches S1.
[0107]
Next, the transfer switch Q1 is opened and closed, the optical signal is transferred from the photodiode 505 to the input part of the source follower, and the optical signal component is superimposed on the reset noise remaining in the input part. The selector switch Q4 is turned on to read this optical signal to the output line 704, and this signal is held in another capacitor by opening the other of the switches S1. A high-level pulse S1 (S) for reading in FIG. 7 is a signal for opening the other side of the switch S1.
[0108]
Thereafter, the reset switch Q2 is opened / closed again to reset the input part of the source follower to a floating state. As before, this time, in order to obtain the second read signal, the switch S2 is sequentially opened and closed by the high level pulses S2 (N) and S2 (S), and the output signal is set to the respective capacitors with the reset noise and the optical signal. Hold.
[0109]
Further, in order to obtain the third read signal, the switch S3 is sequentially opened and closed by high level pulses S3 (N) and S3 (S), and the noise and the output signal are held in the respective capacitors.
[0110]
In this embodiment, the photodiode and the reset voltage are designed so that all the charges in the embedded photodiode in the saturated state or the state where the maximum amount of charge accumulated in the system is accumulated can be transferred by the third reading. .
[0111]
Conventionally, in order to secure 2.5 volt of the output signal amplitude of the source follower, it was necessary to drive at a power supply voltage = 5.0 volt and a reset voltage = 3.5 volt.
[0112]
On the other hand, in this example, although the power supply voltage was reduced to 3.3 volts and the reset voltage was set to 1.8 volts, a good optical signal equivalent to the conventional one could be obtained.
[0113]
In order to achieve the above-mentioned performance, the power supply voltage of 5.0 volt is conventionally required and a MOS transistor process having a minimum line width of 0.8 μm rule has to be used. The power supply voltage can be 3.3 volts, and a MOS transistor having a minimum line width of 0.35 μm rule can be used.
[0114]
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a circuit diagram of one pixel and a readout circuit according to the present embodiment.
[0115]
Reference numerals 901 and 901 ′ denote power supply lines for supplying reset voltages and power supply voltages for the amplifying transistors, 902 and 902 ′ are reset switch lines for controlling the operation of the reset switches Q2 and Q2 ′, 904 is a signal output line, 905 is a photodiode, Reference numerals 906 and 906 ′ denote transfer switch lines for controlling the operations of the transfer switches Q1 and Q1 ′.
[0116]
In the first and second embodiments, one source follower is arranged for one pixel, and the input section of the source follower is reset in time series every time the data is read.
[0117]
In the present embodiment, two source followers Q3 and Q3 'are arranged in one pixel. Here, the input parts of the source followers Q3 and Q3 'are simultaneously reset by turning on the reset switches Q2 and Q2'.
[0118]
Thereafter, the noise switch of the selection switch Q4 and the switch S1 and the noise switch of the selection switch Q4 'and the switch S2 are sequentially opened and closed, and the reset noise signal is held in the noise capacitance connected to the switches S1 and S2, respectively. To do.
[0119]
Subsequently, the transfer switches Q2 and Q2 ′ are opened or closed sequentially or simultaneously to transfer charges to the input parts of the source followers Q3 and Q3 ′, and the selection switches Q4 and Q4 ′ are sequentially opened and closed to include optical signal information. Signals are held in signal capacitors connected to the switches S1 and S2, respectively.
[0120]
  And using a horizontal scanning circuiteachsignalTo the common output line and add on the common output lineOutput, noise suppression processing is performed by the differential amplifier, and output.
[0121]
(Embodiment 4)
FIG. 9 is a circuit diagram of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
[0122]
Here, a second signal output line 904 ′ is arranged in parallel with the first signal output line 904, and the output of the source follower Q3 ′ is read out to the second signal output line, thereby including a noise signal and an optical signal. The signal output can be read out in parallel. That is, the selection switches Q4 and Q4 'can be opened and closed simultaneously.
[0123]
According to the present embodiment, an optical signal having a low voltage and a wide dynamic range can be obtained as in the first embodiment, and at the same time, the readout time can be shortened compared with the first and second embodiments although the pixel size is increased. It was.
[0124]
(Embodiment 5)
For example, the readout circuit of the solid-state imaging device according to the first embodiment can be changed, and the signals sequentially read out can be converted into digital signals, and then the signals can be added by digital processing.
[0125]
In this digital processing, weighted addition with variable weight can be easily performed. As a result, as shown in FIG. 10, for example, signal addition can be set programmable. If this method is used, for example, the sensitivity can be changed in accordance with the light amount range.
[0126]
(Embodiment 6)
A circuit of the solid-state imaging device according to this embodiment is shown in FIG. The basic configuration and operation are the same as those in the second embodiment. The difference is that the capacitance CFD of the charge voltage conversion unit, which is the input unit of the source follower, is reduced to reduce the number of readout capacitances per signal output line from 3 to 2, and transfer and readout are performed in two operations. This is the point.
[0127]
Specifically, in order to improve sensitivity, the capacitance CFD of the charge-voltage conversion unit that is the input unit of the source follower is set to about 4 fF.
[0128]
At about CFD = 7 fF, the charge conversion coefficient per electron in the input unit is 23 μV / electron.
[0129]
In this embodiment, CFD = 4 fF is designed and the charge conversion coefficient is 40 μV / electron.
[0130]
In the prior art, if the capacitance value is reduced in order to increase sensitivity, the dynamic range is reduced accordingly. Specifically, the handling charge is reduced to 57%, and it is difficult to achieve both improvement in sensitivity and expansion of the dynamic range.
[0131]
In this embodiment, it is possible to completely transfer and read the maximum amount of charge that can be accumulated in the photodiode by reading the power source voltage = 5.0 volts twice, and the signal by the two times reading is shared. Added on the horizontal output line. As a result, it is possible to improve sensitivity about twice while ensuring a dynamic range.
[0132]
(Embodiment 7)
A circuit diagram of three pixels of the solid-state imaging device of the present embodiment is shown in FIG.
[0133]
In the present embodiment, a source follower amplifier, a selection switch, and a reset switch, which are amplifying means, are connected to a photoelectric conversion unit including three photodiodes and three transfer switches to form three pixels.
[0134]
1301 is a power supply line, 1302 is a reset switch line, 1303 is a selection switch line, 1305a to 1305c are photodiodes, and 1306 is a transfer switch line.
[0135]
The feature of this embodiment is that the signals of each photodiode section can be selectively read out by opening and closing each transfer switch, while three photodiodes on the source follower input terminal by simultaneously opening and closing three transfer switches. The signal can be added. When three photodiodes are added, the signal amount increases as compared to the case of one photodiode. Conventionally, even if the addition is limited by the signal amplitude on the input terminal of the source follower, the signal based on the charge accumulated in one unit accumulation period is read by repeating the transfer operation multiple times. In other words, all the added signals can be read by applying the present invention.
[0136]
Further, in the present invention, it is possible to select a mode using the second or subsequent signal without using the signal read out for the first time so that only a signal having a predetermined exposure amount or more can be extracted. is there.
[0137]
For example, when reading out three times or more, if only the second reading signal is selected and added without adding the first signal, a signal exceeding a certain amount of exposure light can be easily obtained without digital calculation. It becomes possible to extract.
[0138]
Further, since the power source used for driving the pixel portion can be 3.3 volt, it can be driven together with the analog-digital converter with a single power source. Furthermore, the pixel portion and the analog-digital converter can be easily manufactured on the same chip.
[0139]
FIG. 13 shows a system schematic diagram using the imaging apparatus according to the present invention.
[0140]
As shown in the figure, the image light incident through the optical system 71 forms an image on the solid-state imaging device 72. The solid-state imaging device 72 converts the optical information into an electrical signal. The electric signal is subjected to signal conversion processing by a signal processing circuit 73 by a predetermined method such as white balance correction, gamma correction, luminance signal formation, color signal formation, and contour correction processing, and is output. The signal processed signal is recorded or transferred by an information recording device by a recording system and communication system 74. The recorded or transferred signal is reproduced by the reproduction system 77. The solid-state imaging device 72 and signal processing circuit 73 are controlled by a timing control circuit 75, and the optical system 71, timing control circuit 75, recording / communication system 74, and reproduction system 77 are controlled by a system control circuit 76. The timing control circuit 75 can select independent reading or addition / decimation reading.
[0141]
Reference numeral 70 denotes a mechanical shutter that is provided as necessary and determines the exposure time of the solid-state imaging device 72.
[0142]
As described above, according to the embodiment of the present invention, the following effects can be obtained.
(1) A wide dynamic range sensor signal can be obtained even when the power supply voltage is lowered.
(2) Due to the effect (1), a finer MOS transistor can be used, and the pixels can be reduced.
(3) Since a fine MOS transistor can be used, a single power supply can be used with a high-performance digital IC.
(4) Since it is possible to use a fine MOS transistor, it is possible to make a single chip with a high-performance digital IC with a single power source.
(5) The sensitivity can be improved without degrading the dynamic range.
[0143]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device, a driving method thereof, and an imaging system with lower power consumption and less noise than conventional ones.
[0144]
Alternatively, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of depletion transfer without increasing the power supply voltage and the reset voltage, a driving method thereof, and an imaging system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a pixel unit configuration and operation of a solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 2 is a driving timing diagram of a pixel unit according to the present invention.
FIG. 3 is a typical circuit diagram of a pixel portion used in the present invention.
FIG. 4 is a schematic circuit diagram of a readout circuit having an addition circuit used in the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an example of an adder circuit used in the present invention.
FIG. 6 is a schematic circuit diagram of a readout circuit having another adding circuit used in the present invention.
FIG. 7 is a drive timing chart of a pixel portion used in the present invention.
FIG. 8 is a circuit diagram of another solid-state imaging device used in the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram of still another solid-state imaging device used in the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a relationship between a light amount and an output signal after calculation.
FIG. 11 is a circuit diagram of another readout circuit used in the present invention.
FIG. 12 is a circuit diagram of a pixel portion of another solid-state imaging device used in the present invention.
FIG. 13 is a block diagram of an imaging system used in the present invention.
FIG. 14 is a schematic diagram for explaining the operation of a conventional solid-state imaging device.
FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the saturation charge amount of the photodiode and the potential of the floating diffusion region.
[Explanation of symbols]
101 P-well
102 Transfer switch gate
103 Floating diffusion region
104 Surface p region of photodiode
105 n-region of photodiode
106 Oxide film
107 Reset area
108 Reset switch gate
501 Power line
502 Reset switch line
503 Selection switch line
504 signal output line
505 Embedded photodiode
506 Transfer switch line
Q1 transfer switch
Q2 Reset switch
Q3 Input MOS transistor (Signal amplification means)
Q4 selection switch

Claims (9)

光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷の一部を前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った後、
前記電荷電圧変換部をリセットし、その後、前記光電荷の残りを前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す読み出し動作を行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
A photoelectric conversion unit; a charge voltage conversion unit that converts charges from the photoelectric conversion unit into a voltage signal; signal amplification means that amplifies the voltage signal generated in the charge voltage conversion unit; and A solid-state imaging device driving method comprising: charge transfer means for transferring photocharge to a voltage conversion section; and reset means for resetting by applying a predetermined reset voltage to the charge voltage conversion section,
A part of the photoelectric charge accumulated in the photoelectric conversion unit during the accumulation period is transferred from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit, and the output signal amplified by the signal amplification means is read to the signal output line for the first time After performing the read operation,
Resetting the charge-voltage converter, then transfer the remaining of the optical charges from the photoelectric conversion unit to the charge-voltage conversion unit, a reading operation for reading an output signal amplified by the amplifying means to said signal output line A method for driving a solid-state imaging device.
前記初回の読み出し動作及び前記初回の読み出し動作後の前記読み出し動作により読み出された前記出力信号にそれぞれノイズ抑制処理を施した後、加算する請求項に記載の固体撮像装置の駆動方法。2. The driving method of the solid-state imaging device according to claim 1 , wherein the output signals read by the first read operation and the read operation after the first read operation are each subjected to noise suppression processing and then added. 前記初回の読み出し動作及び前記初回の読み出し動作後の前記読み出し動作により読み出された前記出力信号をそれぞれ保持し、それらを加算した後、水平走査回路により共通出力線に出力する請求項に記載の固体撮像装置の駆動方法。 The output signal read by the reading operation after the read operation of the read operation and the first of the first holding respectively, after adding them, according to claim 1 for outputting to a common output line by the horizontal scanning circuit Driving method for a solid-state imaging device. 前記光電変換部の飽和電荷量QSATに対応した、前記光電変換部の空乏化電圧VDEPより、前記電荷電圧変換部の電圧値VFDSAT が低くなるような値の前記リセット電圧を与える請求項に記載の固体撮像装置の駆動方法。The reset voltage having a value corresponding to the saturation charge amount Q SAT of the photoelectric conversion unit, such that the voltage value VFD SAT of the charge voltage conversion unit is lower than the depletion voltage V DEP of the photoelectric conversion unit. 2. A method for driving a solid-state imaging device according to 1 . 前記初回の読み出し動作の後であって、前記初回の読み出し動作後の前記読み出し動作の前に、前記電荷電圧変換部をリセットし、前記光電荷の一部を前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す中間の読み出し動作を少なくとも1回行う請求項に記載の固体撮像装置の駆動方法。 After the first read operation and before the read operation after the first read operation , the charge voltage conversion unit is reset, and a part of the photoelectric charge is converted from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion. The solid-state imaging device driving method according to claim 1 , wherein an intermediate read operation is performed at least once to transfer the output signal to the signal output line to the signal output line. 光電変換部と、該光電変換部からの電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部と、該電荷電圧変換部に発生した該電圧信号を増幅する信号増幅手段と、該光電変換部から該電荷電圧変換部に光電荷を転送する電荷転送手段と、該電荷電圧変換部に所定のリセット電圧を与えてリセットするリセット手段と、を有する固体撮像装置であって、
蓄積期間中に前記光電変換部に蓄積された光電荷の一部を、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に転送し、前記信号増幅手段により増幅された出力信号を信号出力線に読み出す初回の読み出し動作を行った後、
前記電荷電圧変換部をリセットし、その後、前記光電変換部から前記光電荷の残りを前記電荷電圧変換部に転送し、前記増幅手段により増幅された出力信号を前記信号出力線に読み出す読み出し動作を行うように制御する制御回路を具備することを特徴とする固体撮像装置。
A photoelectric conversion unit; a charge voltage conversion unit that converts charges from the photoelectric conversion unit into a voltage signal; signal amplification means that amplifies the voltage signal generated in the charge voltage conversion unit; and A solid-state imaging device having charge transfer means for transferring photocharge to the voltage conversion section, and reset means for resetting by applying a predetermined reset voltage to the charge voltage conversion section,
The first time that a part of the photoelectric charge accumulated in the photoelectric conversion unit during the accumulation period is transferred from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit , and the output signal amplified by the signal amplification means is read to the signal output line After performing the read operation of
Resetting the charge-voltage converter, and then transferring the remainder of the photoelectric charge from the photoelectric converter to the charge-voltage converter, and reading out the output signal amplified by the amplifying means to the signal output line A solid-state imaging device comprising a control circuit that controls to perform.
前記光電変換部は埋め込み型のホトダイオードであることを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 6 , wherein the photoelectric conversion unit is an embedded photodiode. 請求項に記載の固体撮像装置と、
該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
A solid-state imaging device according to claim 6 ;
An imaging system comprising: an optical system that focuses light onto the solid-state imaging device; and a signal processing circuit that processes an output signal from the solid-state imaging device.
請求項に記載の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置の露光時間を定めるための機械式シャッターと、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。The solid-state imaging device according to claim 6 , an optical system for imaging light onto the solid-state imaging device, a mechanical shutter for determining an exposure time of the solid-state imaging device, and an output signal from the solid-state imaging device An imaging system comprising a signal processing circuit for processing.
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