JP3796412B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被写体像を撮像する撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高解像化のため、微細化プロセスを用いた光電変換部のセルサイズが精力的に縮小されている。一方、光電変換部で変換された電気信号の出力が低下することなどから、電気信号を増幅して出力することが可能な増幅型の固体撮像素子が注目されている。このような増幅型固体撮像素子には、ＭＯＳ型、ＡＭＩ、ＣＭＤ、バイポーラ型イメージセンサ等の各固体撮像素子がある。
【０００３】
このうち、ＭＯＳ型の固体撮像素子は、フォトダイオードで発生した光キャリアをＭＯＳトランジスタのゲート電極に蓄積し、走査回路からの駆動タイミングに従って、そのゲートの電位変化を、出力部へ電荷増幅して出力するものである。近年では、このＭＯＳ型の固体撮像素子のうち、光電変換部や、その周辺回路部を含めてすべてＣＭＯＳプロセスで実現するＣＭＯＳ型固体撮像素子が特に注目されてきている。
【０００４】
図１０は、従来の固体撮像素子の内部構成図である。図１０に示す固体撮像素子は、入射する光信号を電気信号に変換するフォトダイオード１と、フォトダイオード１からの信号電荷をフローティングディフュージョン領域１１に転送する転送スイッチ２と、転送された信号を増幅して出力するソースフォロア（増幅トランジスタ１０、定電流源7）及び定電圧源５と、フロ−ティングデュフュ−ジョン１１に蓄積されている信号を垂直信号線１３に読み出すための選択スイッチ６と、フローティングディフュージョン領域１１を電位ＶPRにリセットするリセットスイッチ３及びリセット電圧源４とを備えている。
【０００５】
また、図１０に示す固体撮像素子は、転送スイッチ２、リセットスイッチ３及び選択スイッチ６の各ゲートに各スイッチのオン／オフを切り替える制御信号を出力する垂直走査回路１４と、転送スイッチ２などのオン／オフの切り替えにより生じる固定パターンノイズを除去するための転送ゲート１５ａ、１５ｂと、転送ゲート１５ａ、１５ｂをオンしたときに入力される信号を蓄積する信号蓄積部１６とを備えている。
【０００６】
なお、図１０には、画素４つ分を配列している様子を図示しているが、画素の個数に特に制限はなく、また画素の配列は、１次元的でもあっても２次元的であってもよい。
【０００７】
図１１は、図１０に示した垂直走査回路６から出力する制御信号の波形を示す図である。図１０には、選択スイッチ６のゲートに入力している選択信号ΦＳＥＬ、リセットスイッチ３のゲートに入力しているリセット信号ΦＲＥＳ、転送スイッチ２のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦＴＸ、転送ゲート１５ａ、１５ｂのゲートに入力しているノイズ信号読み出し信号ΦＴＮ及び転送信号ΦＴＳを示している。なお、各信号のパルス波がハイレベルのときに各スイッチのゲートをオンし、ローレベルのときに各スイッチのゲートをオフするようにしている。
【０００８】
つぎに、図１１を用いて図１０に示した固体撮像素子の動作について説明する。まず、垂直走査回路６から選択スイッチ６及び転送スイッチ２の各ゲートにローレベルの信号を入力し、リセットスイッチ３のゲートにハイレベルの信号を入力している。このとき、フォトダイオード１で入射光を光電変換して、得られた電荷を蓄積している。また、フローティングディフュージョン領域１１を、リセット電位ＶPRにしている。
【０００９】
つづいて、トランスファーゲート信号ΦＴＸをハイレベルとして、フォトダイオード１に蓄積していた電荷を、転送スイッチ２を介してフローティングディフュージョン領域１１に転送する。そして、トランスファーゲート信号ΦＴＸをローレベルとすると、フォトダイオード１で電荷の蓄積がされる。
【００１０】
つぎに、選択信号ΦＳＥＬをハイレベルとして、リセットΦ信号をローレベルに切り替えた直後に、ノイズ信号読み出し信号ΦＴＮをハイレベルとして、固体撮像素子内のノイズを、垂直信号線１３、転送ゲート１５ｂを介して信号蓄積部１６へ入力させる。そして、ノイズ信号読み出し信号ΦＴＮをローレベルに切り替えた後に、選択信号ΦＳＥＬをローレベル、トランスファーゲート信号ΦＴＸをハイレベルとすると、フォトダイオード１で電荷の蓄積が終了するとともに、フォトダイオード１に蓄積していた電荷を、トランスファーゲート信号ΦＴＸをフローティングディフュージョン領域１１に転送する。
【００１１】
そして、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにすると、フォトダイオード１からフローティングディフュージョン領域１１への電荷の転送を終了させ、フォトダイオード１は、再び電荷の蓄積を開始する。なお、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにするまでに、フォトダイオード１に蓄積されていた電荷は、フローティングディフュージョン領域１１へ転送されるため、フォトダイオード１は、空乏層化してほぼリセットされたような状態となる。
【００１２】
その後、選択信号ΦＳＥＬがハイレベルとし、その直後に転送信号ΦＴＳをハイレベルにすると、フローティングディフュージョン領域１１に転送された電荷に基づいてソースフォロア１０で増幅された増幅信号が垂直信号線１３、転送ゲ−ト１５ａを介して信号蓄積部１６へ入力される。
【００１３】
信号蓄積部１６では、転送ゲート１５ｂを介して入力された入力信号と、転送ゲート１５ａを介して入力された入力信号とが、図示しない差分回路によって差分されるようにタイミングが取られた後に出力部へ出力される。出力部では、入力された２つの信号を差分することにより、転送スイッチ２のオン／オフを切り替えたときに生じる固定パターンノイズを除去していた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術は、垂直信号線１３には、定電流源が接続されているので、フォトダイオードで電荷を蓄積している間には、垂直信号線の電位は０Ｖに近づく。その結果、垂直信号線の電位は相対的に低くなり、垂直信号線からフォトダイオードに向かって微小なリーク電流が流れる場合がある。
【００１５】
その際に、垂直信号線からフォトダイオードに電荷が流入されることになる。そのため、フォトダイオードからフローティングディフュージョン領域への電荷の転送時に、入射光が変換された電荷に、リーク電流に基づく電荷が重畳され、さらに、これらの電荷に基づいて増幅された増幅信号が、垂直信号線に読み出される。
【００１６】
このように、読み出された増幅信号には、実際に光電変換して得られる電荷に、さらにフォトダイオードと垂直信号線との電位差によって生じた電荷分が加わっている場合があり、係る場合には、この増幅信号に基づいて得られる画像が劣化する場合がある。
【００１７】
そこで、本発明は、フォトダイオードなどの光電変換部で電荷を蓄積している間に、垂直信号線から光電変換部にリーク電流が流れないようにして、読み出した信号にノイズが少なくなるようにすることを課題とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の一手段では、第１導電型の第１の半導体領域内に第２導電型の第２の半導体領域を形成した光電変換部と、前記光電変換部で発生した電気信号を増幅するための増幅トランジスタと、前記光電変換部を選択して信号線に出力するための選択トランジスタと、を含む画素と、前記第１の半導体領域内に形成され前記信号線に接続された、少なくとも前記増幅トランジスタまたは選択トランジスタの、ソースまたはドレイン領域として機能する第２導電型の第３の半導体領域と、前記光電変換部で前記電気信号を蓄積している時に、前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域間を逆バイアスにする電位制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置を提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の固体撮像素子の等価回路図である。図１に示す固体撮像素子は、入射する光信号を電気信号に変換する光電変換部であるところのフォトダイオード１と、フォトダイオード１からの信号電荷を蓄積領域であるフローティングディフュージョン領域１１に転送する転送スイッチ２と、転送された信号を増幅して出力するソースフォロア（増幅トランジスタ１０、定電流源）及び定電圧源５とを備えている。
【００２３】
また、図１に示す固体撮像素子は、蓄積された電荷が転送されるフォトダイオード１を選択する選択スイッチ６と、フローティングディフュージョン領域１１を電位ＶPRにリセットするリセットスイッチ３及びリセット電圧源４と、転送スイッチ２のオン／オフを切り替えることにより生じる固定パターンノイズを除去するための転送ゲート１５ａ、１５ｂと、転送ゲート１５ａ、１５ｂをオンしたときに入力される信号を蓄積する信号蓄積部１６とを備えている。
【００２４】
ここで、フォトダイオ−ド１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、選択スイッチ６、増幅トランジスタ１０により画素を構成する。
【００２５】
なお、本実施形態では、たとえばフォトダイオード１のアノード側をＧＮＤに接地し、カソード側を転送スイッチ２に接続することによって、フォトダイオード１への電荷の蓄積を開始するときに、フォトダイオード１の逆バイアスフォト電圧ＶREVを１Ｖ程度としている。
【００２６】
図２は、図１に示す固体撮像素子の各部分の接続状態を示す模式断面図である。図２において、ａはフォトダイオード１、ｂはフォトダイオード１から電荷を転送する転送スイッチ２のゲート、ｃは電荷の転送先であるフローティングディフュージョン領域１１、ｄはリセットスイッチ３のゲート、ｅはリセット電源４及び定電圧源５、ｆは選択スイッチ６のゲート、ｇは増幅トランジスタ１０のソース、ｈは増幅トランジスタ１０のゲート、ｉは垂直信号線１３に接続された拡散領域（出力部）を示している。なお、ｎ型導電型の（ｎ＋層）フォトダイオードａ〜拡散領域ｉを、ｐ型ウェル中に形成している。
【００２７】
図３は、図１に示した固体撮像素子を動作させるタイミングチャートである。図３には、選択スイッチ６のゲートに入力している選択信号ΦＳＥＬ、リセットスイッチ３のゲートに入力しているリセット信号ΦＲＥＳ、転送スイッチ２のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦＴＸ、各転送ゲート１５ａ、１５ｂのゲートに入力しているノイズ信号読み出し信号ΦＴＮ及び転送信号ΦＴＳを示している。
【００２８】
なお、本実施形態では、各信号のパルス波がハイレベルのときに各スイッチ等のゲートをオンし、ローレベルのときに各スイッチのゲートをオフするようにしている。
【００２９】
つぎに、図３を用いて図１に示した固体撮像素子の動作について説明する。まず、リセットスイッチ３のゲートに入力しているリセット信号ΦＲＥＳをハイレベルとした状態で、転送スイッチ２のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦＴＸをローレベルとすると、フォトダイオード１では、入射光を光電変換して得られる電荷を蓄積し始める。
【００３０】
このとき、選択スイッチ６のゲートに印加している選択信号ΦＳＥＬをハイレベルにすることによって、拡散領域（図２のｉ）が所定の電位となり、ｐ型ウエル（ｐ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）と拡散領域（図２のｉ）間は逆バイアスとなる。また、垂直信号線１３側の電位をフォトダイオード１の電位より高くしている。こうして、垂直信号線１３側からフォトダイオード１へリーク電流が流れないようにする。
【００３１】
つぎに、リセットスイッチ３のゲートに印加しているリセット信号ΦＲＥＳをローレベルとした後に、ノイズ信号読みだし信号ΦＴＮをハイレベルにして、増幅トランジスタ１０により生じる固定パターンノイズ信号が垂直信号線１３、転送ゲート１５ｂを介して信号蓄積部１６へ入力する。
【００３２】
そして、ノイズ信号読みだし信号ΦＴＮをローレベルにした後に、トランスファーゲート信号ΦＴＸをハイレベルにすると、フォトダイオード１で電荷の蓄積が終了するとともに、蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョン領域１１に転送される。
【００３３】
そして、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにして、フォトダイオード１からフローティングディフュージョン領域１１への電荷の転送を終了させる。
【００３４】
また、選択信号ΦＳＥＬはハイレベルであるため、フローティングディフュージョン領域１１へ転送された電荷に基づいてソースフォロア１０で増幅されることによって得られる増幅信号は、垂直信号線１３に読み出される。つづいて、転送信号ΦＴＳをハイレベルにすると、垂直信号線１３に読み出された信号は、転送ゲート１５ａを介して、信号蓄積部１６へ入力される。
【００３５】
信号蓄積部１６では、転送ゲート１５ｂを介して入力された入力信号と、転送ゲート１５ａを介して入力された入力信号とが、図示しない差分回路によって差分されるようなタイミングで出力部へ出力される。出力部では、入力された２つの信号を差分することにより、転送スイッチ２のオン／オフを切り替えたときに生じる固定パターンノイズを除去する。そして、選択信号ΦＳＥＬをロウレベルとして、読み出し動作が終了する。
【００３６】
フォトダイオード１で電荷を蓄積している期間中に、選択スイッチ６のゲート及びリセットスイッチ３のゲートに入力している信号は各々ハイレベルなので、リセット電源４の電位をＶPR、フォースフォロア１０のゲート−ソース間をＶGSとすると、垂直信号線１３側の電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝ＶPR−ＶGS
と表すことができる。
【００３７】
本実施形態において、たとえばＶＰＲ＝３．５Ｖ、ＶＧＳ＝１．５Ｖと設定すると、拡散領域（図２のｉ）とｐウエル（図２のｐ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）間には、２Ｖの逆バイアス電圧が印加され、光電変換部の電位と垂直信号線側の電位の関係は、
ＶＲＥＶ＜Ｖｏｕｔ
の関係にある。
【００３８】
図８は、図２のフォトダイオードａ、ｐ型ウェル及び拡散領域ｉにおける信号電荷に対するポテンシャルを示した図である。なお、図８には、比較のため、従来の拡散領域ｉのポテンシャルも示している。上記のように、フォトダイオード１で電荷を蓄積している間、出力部ｉのポテンシャルをフォトダイオ−ドａのポテンシャルより低くしているため、拡散領域ｉの電荷がｐ型ウェルを介して光電変換部ａ側に流れないようにしているため、フォトダイオード１に電荷を蓄積中に出力部ｉからフォトダイオードａにリーク電流が流れない。
【００３９】
つまり、フォトダイオード１のカソードの電位に対して垂直信号線１３に接続された拡散領域の電位は高く設定されている。このことにより、出力部からフォトダイオード１への電荷の流れ込みをなくすことができる。従って、フォトダイオード１で蓄積された電荷を読み出したときに、その電荷にはノイズが少ないため、高画質の画像が得られる。
【００４０】
ここで、上記の実施形態では、フォトダイオ−ドの電位ａに対して拡散領域ｉの電位を高くしているが、フォトダイオ−ドａの電位と拡散領域ｉの電位関係に関係なく、ｐウエル（ｐ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）と拡散領域ｉ間を逆バイアスにすることによってのみであってもよい。
【００４１】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２の固体撮像素子の等価回路図である。図４に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、垂直信号線１３に直列に第１のスイッチ８を接続している。本実施形態では、第１のスイッチ８を設けることによって、フォトダイオード１に電荷を蓄積しているときに、ソースフォロア１０のソース−ドレイン間に電流を流れないようにして、消費電力を抑制している。なお、図４において、図１と同様の部分には、同一の符号を付している。
【００４２】
図５は、図４に示した固体撮像素子を動作させるタイミングチャートである。図５には、選択信号ΦＳＥＬ、リセット信号ΦＲＥＳ及びトランスファーゲート信号ΦＴＸに加えて、スイッチ８のゲートに入力している信号ΦＩＯＦＦも示している。
【００４３】
本実施形態では、リセット信号ΦＲＥＳをローレベルとすると共に、信号ΦＩＯＦＦをハイレベルとしている。また、トランスファーゲート信号ΦＴＸがハイレベル、ローレベルとされることによってフォトダイオード１に蓄積されている電荷が、フローティングディフュージョン領域１１に転送された後に、リセット信号ΦＲＥＳをハイレベルとすると共に、信号ΦＩＯＦＦをローレベルとしている。
【００４４】
すなわち、信号ΦＩＯＦＦのハイレベル／ローレベルの切り替えは、リセット信号ΦＲＥＳのローレベル／ハイレベルと同じタイミングでされている。こうして、本実施形態では、上記のように、フォトダイオード１において電荷を蓄積しているときに、ソースフォロア１０のソース−ドレイン間に電流を流れないようにして、消費電力を抑えている。
【００４５】
実施形態１、２では、フォｔダイオ−ド１が光電変換によって生じた電気信号を蓄積している間に、転送スイッチをオフ、リセットスイッチ及び選択スイッチをオンにするようなパルスを制御する駆動回路（図９の１０８）が電位制御手段に相当する。
【００４６】
また、実施形態１、２では、選択スイッチ６を増幅トランジスタ１０と垂直信号線１０の間に接続する構成であってもよい。
【００４７】
（実施形態３）
図６は、本発明の実施形態３の固体撮像素子の等価回路図である。図６に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、垂直信号線１３の電位を、電荷を蓄積しているフォトダイオード１の電位よりも高電位であるＶVRとするための第２のスイッチ９及び定電圧源ＶVR１２が設けている。本実施形態では、第２のスイッチ９及び定電圧源ＶVR１２を設けることによって、選択スイッチ６等によらずに、垂直信号線１３の電位をフォトダイオード１の電位よりも高くしている。なお、図６において、図４と同様の部分には、同一の符号を付している。
【００４８】
図７は、図６に示した固体撮像素子を動作させるタイミングチャートである。図７には、選択信号ΦＳＥＬ、リセット信号ΦＲＥＳトランスファーゲート信号ΦＴＸ及び信号ΦＩＯＦＦに加えて、第２のスイッチ９のゲートに入力している信号ΦＶＲも示している。
【００４９】
図７を用いて、図６に示した固体撮像素子の動作について説明する。まず、リセットスイッチ３のゲートに入力しているリセット信号ΦＲＥＳをハイレベルとした状態で、転送スイッチ２のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦＴＸをローレベルとすると、フォトダイオード１では、入射光を光電変換して得られる電荷を蓄積し始める。
【００５０】
このとき、選択スイッチ６のゲートに印加している選択信号ΦＳＥＬをともにハイレベルにして、垂直信号線１３側の電位をフォトダイオード１の電位より高くしている。こうして、垂直信号線１３側からフォトダイオード１へリーク電流が流れないようにする。
【００５１】
また、実施形態２と同様に、信号ΦＩＯＦＦは、リセット信号ΦＲＥＳのローレベル／ハイレベルと同じタイミングでハイレベル／ローレベルの切り替えをしている。さらに、信号ΦＶＲは、リセット信号ΦＲＥＳのハイレベル／ローレベルと同じタイミングでハイレベル／ローレベルの切り替えをしている。
【００５２】
つぎに、リセットスイッチ３のゲートに印加しているリセット信号ΦＲＥＳをローレベル、すなわち、信号ΦＩＯＦＦをハイレベル、信号ΦＶＲをローレベルとした後に、選択信号ΦＳＥＬをハイレベルに切り替える。そして、ノイズ読み出し信号ΦＴＮをハイレベルとして、転送スイッチ２のハイレベル、ローレベルの切り替えによって生じた固定パターンノイズを、垂直信号線１３、転送ゲート１５ｂを介して、信号蓄積部１６へ入力する。
【００５３】
その後、ノイズ読み出し信号ΦＴＮをローレベルとした後に、トランスファーゲート信号ΦＴＸをハイレベルにすると、フォトダイオード１で電荷の蓄積が終了するとともに、蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョン領域１１に転送される。
【００５４】
そして、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにして、フォトダイオード１からフローティングディフュージョン領域１１への電荷の転送を終了させ、フォトダイオード１に、再び電荷を蓄積をさせる。なお、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにするまでの間に、フォトダイオード１に蓄積されていた電荷は、フローティングディフュージョン領域１１へ転送されることにより空乏層化して、ほぼリセットされたような状態となる。
【００５５】
また、選択信号ΦＳＥＬはハイレベルであるため、フローティングディフュージョン領域１１へ転送された電荷に基づいてソースフォロア１０で増幅されることによって得られる増幅信号は、垂直信号線１３に読み出される。つづいて、転送信号ΦＴＳをハイレベルにすると、垂直信号線１３に読み出された信号は、転送ゲート１５ａを介して、信号蓄積部１６へ入力される。
【００５６】
信号蓄積部１６では、転送ゲート１５ｂを介して入力された入力信号と、転送ゲート１５ａを介して入力された入力信号とが、図示しない差分回路によって差分されるようにタイミングが取られた後に出力部へ出力される。出力部では、入力された２つの信号を差分することにより、転送スイッチ２のオン／オフを切り替えたときに生じる固定パターンノイズを除去している。そして、選択信号ΦＳＥＬをロウレベルとして、読み出し動作が終了する。
【００５７】
本実施形態では、フォトダイオード１で電荷を蓄積しているときに、信号ΦＶＲをハイレベルとしているため、定電圧源ＶVR１２により垂直信号線１３をフォトダイオード１よりも高電位とすることができる。そのため、実施形態１のように選択信号ΦＳＥＬをハイレベルにすることなく、垂直信号線１３側からフォトダイオード１にリーク電流が流れないようにすることができ、そのため、フォトダイオード１で蓄積された電荷を読み出したときに、その電荷にはノイズが少なく、高画質の画像が得られる。
【００５８】
ここで、実施形態３では、実施形態１、２と同様に、フォトダイオ−ドの電位ａと拡散領域ｉの電位に関係なく、ｐウエルｊと拡散領域ｉの間を逆バイアスにすることのみであってもよい。
【００５９】
又、実施形態３では、第２のスイッチ9、定電流源１２、及びフォトダイオ−ド１が光電変換によって生じた電気信号を蓄積している間に、第２のスイッチをオンにするようなパルスを出力するように制御する駆動回路（図９の１０８）が電位制御手段に相当する。
【００６０】
上記の実施形態３では、フォトダイオ−ド１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、選択スイッチ６、増幅トランジスタ１０で１画素を構成しているが、例えばフォトダイオ−ド１と転送スイッチ２によって１画素を構成する等の他の画素構成であってもよい。
【００６１】
（実施形態４）
図９に基づいて、上記で説明した実施形態 １〜３で説明した固体撮像素子を用いた撮像装置について説明する。
【００６２】
図において、１０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１０２は被写体の光学像を固体撮像素子１０４に結像させるレンズ、１０３はレンズ１０２を通った光量を可変するための絞り、１０４はレンズ１０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、１０５は、固体撮像素子１０４から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、１０６は固体撮像素子１０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１０７はＡ／Ｄ変換器１０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、１０８は固体撮像素子１０４、撮像信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、信号処理部１０７に、各種タイミング信号を出力する駆動回路、１０９は各種演算と撮像装置全体を制御する全体制御・演算部、１１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００６３】
次に、前述の構成における撮影時の撮像装置の動作について説明する。
バリア１０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１０９は絞り１０３を開放にし、固体撮像素子１０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０６で変換された後、信号処理部１０７に入力される。
【００６４】
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１０９で行う。
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。
【００６５】
次に、固体撮像素子１０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
【００６６】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
【００６７】
露光が終了すると、固体撮像素子１０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算部１０９によりメモリ部に書き込まれる。
その後、メモリ部１１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撮像装置は、光電変換部で光電変換によって生じた電気信号を蓄積中に、信号線側から光電変換部へリーク電流が流れない。このため、光電変換部で蓄積された電荷を読み出したときに、その電荷にはノイズが少ないため、高画質の画像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の固体撮像素子の等価回路図である。
【図２】図１に示した固体撮像素子の各部分の接続状態を示す模式断面図である。
【図３】図１の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態２の固体撮像素子の等価回路図である。
【図５】図４の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の実施形態３の固体撮像素子の等価回路図である。
【図７】図６の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】図２のフォトダイオード、ｐ型ウェル及び出力部における信号電荷に対するポテンシャルを示した図である。
【図９】実施形態１から３の固体撮像素子を用いた撮像装置を表す図である。
【図１０】従来技術の固体撮像素子の等価回路図である。
【図１１】図８の動作を示すタイミングチャートである。
【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 リセット電圧源
５ 定電圧源
６ 選択スイッチ
７ 定電流源
８ 第１のスイッチ
９ 第２のスイッチ
１０ ソースフォロア
１１ フローティングディフュージョン領域
１２ 定電圧源ＶVR
【発明の属する技術分野】
本発明は、被写体像を撮像する撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高解像化のため、微細化プロセスを用いた光電変換部のセルサイズが精力的に縮小されている。一方、光電変換部で変換された電気信号の出力が低下することなどから、電気信号を増幅して出力することが可能な増幅型の固体撮像素子が注目されている。このような増幅型固体撮像素子には、ＭＯＳ型、ＡＭＩ、ＣＭＤ、バイポーラ型イメージセンサ等の各固体撮像素子がある。
【０００３】
このうち、ＭＯＳ型の固体撮像素子は、フォトダイオードで発生した光キャリアをＭＯＳトランジスタのゲート電極に蓄積し、走査回路からの駆動タイミングに従って、そのゲートの電位変化を、出力部へ電荷増幅して出力するものである。近年では、このＭＯＳ型の固体撮像素子のうち、光電変換部や、その周辺回路部を含めてすべてＣＭＯＳプロセスで実現するＣＭＯＳ型固体撮像素子が特に注目されてきている。
【０００４】
図１０は、従来の固体撮像素子の内部構成図である。図１０に示す固体撮像素子は、入射する光信号を電気信号に変換するフォトダイオード１と、フォトダイオード１からの信号電荷をフローティングディフュージョン領域１１に転送する転送スイッチ２と、転送された信号を増幅して出力するソースフォロア（増幅トランジスタ１０、定電流源7）及び定電圧源５と、フロ−ティングデュフュ−ジョン１１に蓄積されている信号を垂直信号線１３に読み出すための選択スイッチ６と、フローティングディフュージョン領域１１を電位ＶPRにリセットするリセットスイッチ３及びリセット電圧源４とを備えている。
【０００５】
また、図１０に示す固体撮像素子は、転送スイッチ２、リセットスイッチ３及び選択スイッチ６の各ゲートに各スイッチのオン／オフを切り替える制御信号を出力する垂直走査回路１４と、転送スイッチ２などのオン／オフの切り替えにより生じる固定パターンノイズを除去するための転送ゲート１５ａ、１５ｂと、転送ゲート１５ａ、１５ｂをオンしたときに入力される信号を蓄積する信号蓄積部１６とを備えている。
【０００６】
なお、図１０には、画素４つ分を配列している様子を図示しているが、画素の個数に特に制限はなく、また画素の配列は、１次元的でもあっても２次元的であってもよい。
【０００７】
図１１は、図１０に示した垂直走査回路６から出力する制御信号の波形を示す図である。図１０には、選択スイッチ６のゲートに入力している選択信号ΦＳＥＬ、リセットスイッチ３のゲートに入力しているリセット信号ΦＲＥＳ、転送スイッチ２のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦＴＸ、転送ゲート１５ａ、１５ｂのゲートに入力しているノイズ信号読み出し信号ΦＴＮ及び転送信号ΦＴＳを示している。なお、各信号のパルス波がハイレベルのときに各スイッチのゲートをオンし、ローレベルのときに各スイッチのゲートをオフするようにしている。
【０００８】
つぎに、図１１を用いて図１０に示した固体撮像素子の動作について説明する。まず、垂直走査回路６から選択スイッチ６及び転送スイッチ２の各ゲートにローレベルの信号を入力し、リセットスイッチ３のゲートにハイレベルの信号を入力している。このとき、フォトダイオード１で入射光を光電変換して、得られた電荷を蓄積している。また、フローティングディフュージョン領域１１を、リセット電位ＶPRにしている。
【０００９】
つづいて、トランスファーゲート信号ΦＴＸをハイレベルとして、フォトダイオード１に蓄積していた電荷を、転送スイッチ２を介してフローティングディフュージョン領域１１に転送する。そして、トランスファーゲート信号ΦＴＸをローレベルとすると、フォトダイオード１で電荷の蓄積がされる。
【００１０】
つぎに、選択信号ΦＳＥＬをハイレベルとして、リセットΦ信号をローレベルに切り替えた直後に、ノイズ信号読み出し信号ΦＴＮをハイレベルとして、固体撮像素子内のノイズを、垂直信号線１３、転送ゲート１５ｂを介して信号蓄積部１６へ入力させる。そして、ノイズ信号読み出し信号ΦＴＮをローレベルに切り替えた後に、選択信号ΦＳＥＬをローレベル、トランスファーゲート信号ΦＴＸをハイレベルとすると、フォトダイオード１で電荷の蓄積が終了するとともに、フォトダイオード１に蓄積していた電荷を、トランスファーゲート信号ΦＴＸをフローティングディフュージョン領域１１に転送する。
【００１１】
そして、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにすると、フォトダイオード１からフローティングディフュージョン領域１１への電荷の転送を終了させ、フォトダイオード１は、再び電荷の蓄積を開始する。なお、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにするまでに、フォトダイオード１に蓄積されていた電荷は、フローティングディフュージョン領域１１へ転送されるため、フォトダイオード１は、空乏層化してほぼリセットされたような状態となる。
【００１２】
その後、選択信号ΦＳＥＬがハイレベルとし、その直後に転送信号ΦＴＳをハイレベルにすると、フローティングディフュージョン領域１１に転送された電荷に基づいてソースフォロア１０で増幅された増幅信号が垂直信号線１３、転送ゲ−ト１５ａを介して信号蓄積部１６へ入力される。
【００１３】
信号蓄積部１６では、転送ゲート１５ｂを介して入力された入力信号と、転送ゲート１５ａを介して入力された入力信号とが、図示しない差分回路によって差分されるようにタイミングが取られた後に出力部へ出力される。出力部では、入力された２つの信号を差分することにより、転送スイッチ２のオン／オフを切り替えたときに生じる固定パターンノイズを除去していた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術は、垂直信号線１３には、定電流源が接続されているので、フォトダイオードで電荷を蓄積している間には、垂直信号線の電位は０Ｖに近づく。その結果、垂直信号線の電位は相対的に低くなり、垂直信号線からフォトダイオードに向かって微小なリーク電流が流れる場合がある。
【００１５】
その際に、垂直信号線からフォトダイオードに電荷が流入されることになる。そのため、フォトダイオードからフローティングディフュージョン領域への電荷の転送時に、入射光が変換された電荷に、リーク電流に基づく電荷が重畳され、さらに、これらの電荷に基づいて増幅された増幅信号が、垂直信号線に読み出される。
【００１６】
このように、読み出された増幅信号には、実際に光電変換して得られる電荷に、さらにフォトダイオードと垂直信号線との電位差によって生じた電荷分が加わっている場合があり、係る場合には、この増幅信号に基づいて得られる画像が劣化する場合がある。
【００１７】
そこで、本発明は、フォトダイオードなどの光電変換部で電荷を蓄積している間に、垂直信号線から光電変換部にリーク電流が流れないようにして、読み出した信号にノイズが少なくなるようにすることを課題とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の一手段では、第１導電型の第１の半導体領域内に第２導電型の第２の半導体領域を形成した光電変換部と、前記光電変換部で発生した電気信号を増幅するための増幅トランジスタと、前記光電変換部を選択して信号線に出力するための選択トランジスタと、を含む画素と、前記第１の半導体領域内に形成され前記信号線に接続された、少なくとも前記増幅トランジスタまたは選択トランジスタの、ソースまたはドレイン領域として機能する第２導電型の第３の半導体領域と、前記光電変換部で前記電気信号を蓄積している時に、前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域間を逆バイアスにする電位制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置を提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の固体撮像素子の等価回路図である。図１に示す固体撮像素子は、入射する光信号を電気信号に変換する光電変換部であるところのフォトダイオード１と、フォトダイオード１からの信号電荷を蓄積領域であるフローティングディフュージョン領域１１に転送する転送スイッチ２と、転送された信号を増幅して出力するソースフォロア（増幅トランジスタ１０、定電流源）及び定電圧源５とを備えている。
【００２３】
また、図１に示す固体撮像素子は、蓄積された電荷が転送されるフォトダイオード１を選択する選択スイッチ６と、フローティングディフュージョン領域１１を電位ＶPRにリセットするリセットスイッチ３及びリセット電圧源４と、転送スイッチ２のオン／オフを切り替えることにより生じる固定パターンノイズを除去するための転送ゲート１５ａ、１５ｂと、転送ゲート１５ａ、１５ｂをオンしたときに入力される信号を蓄積する信号蓄積部１６とを備えている。
【００２４】
ここで、フォトダイオ−ド１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、選択スイッチ６、増幅トランジスタ１０により画素を構成する。
【００２５】
なお、本実施形態では、たとえばフォトダイオード１のアノード側をＧＮＤに接地し、カソード側を転送スイッチ２に接続することによって、フォトダイオード１への電荷の蓄積を開始するときに、フォトダイオード１の逆バイアスフォト電圧ＶREVを１Ｖ程度としている。
【００２６】
図２は、図１に示す固体撮像素子の各部分の接続状態を示す模式断面図である。図２において、ａはフォトダイオード１、ｂはフォトダイオード１から電荷を転送する転送スイッチ２のゲート、ｃは電荷の転送先であるフローティングディフュージョン領域１１、ｄはリセットスイッチ３のゲート、ｅはリセット電源４及び定電圧源５、ｆは選択スイッチ６のゲート、ｇは増幅トランジスタ１０のソース、ｈは増幅トランジスタ１０のゲート、ｉは垂直信号線１３に接続された拡散領域（出力部）を示している。なお、ｎ型導電型の（ｎ＋層）フォトダイオードａ〜拡散領域ｉを、ｐ型ウェル中に形成している。
【００２７】
図３は、図１に示した固体撮像素子を動作させるタイミングチャートである。図３には、選択スイッチ６のゲートに入力している選択信号ΦＳＥＬ、リセットスイッチ３のゲートに入力しているリセット信号ΦＲＥＳ、転送スイッチ２のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦＴＸ、各転送ゲート１５ａ、１５ｂのゲートに入力しているノイズ信号読み出し信号ΦＴＮ及び転送信号ΦＴＳを示している。
【００２８】
なお、本実施形態では、各信号のパルス波がハイレベルのときに各スイッチ等のゲートをオンし、ローレベルのときに各スイッチのゲートをオフするようにしている。
【００２９】
つぎに、図３を用いて図１に示した固体撮像素子の動作について説明する。まず、リセットスイッチ３のゲートに入力しているリセット信号ΦＲＥＳをハイレベルとした状態で、転送スイッチ２のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦＴＸをローレベルとすると、フォトダイオード１では、入射光を光電変換して得られる電荷を蓄積し始める。
【００３０】
このとき、選択スイッチ６のゲートに印加している選択信号ΦＳＥＬをハイレベルにすることによって、拡散領域（図２のｉ）が所定の電位となり、ｐ型ウエル（ｐ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）と拡散領域（図２のｉ）間は逆バイアスとなる。また、垂直信号線１３側の電位をフォトダイオード１の電位より高くしている。こうして、垂直信号線１３側からフォトダイオード１へリーク電流が流れないようにする。
【００３１】
つぎに、リセットスイッチ３のゲートに印加しているリセット信号ΦＲＥＳをローレベルとした後に、ノイズ信号読みだし信号ΦＴＮをハイレベルにして、増幅トランジスタ１０により生じる固定パターンノイズ信号が垂直信号線１３、転送ゲート１５ｂを介して信号蓄積部１６へ入力する。
【００３２】
そして、ノイズ信号読みだし信号ΦＴＮをローレベルにした後に、トランスファーゲート信号ΦＴＸをハイレベルにすると、フォトダイオード１で電荷の蓄積が終了するとともに、蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョン領域１１に転送される。
【００３３】
そして、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにして、フォトダイオード１からフローティングディフュージョン領域１１への電荷の転送を終了させる。
【００３４】
また、選択信号ΦＳＥＬはハイレベルであるため、フローティングディフュージョン領域１１へ転送された電荷に基づいてソースフォロア１０で増幅されることによって得られる増幅信号は、垂直信号線１３に読み出される。つづいて、転送信号ΦＴＳをハイレベルにすると、垂直信号線１３に読み出された信号は、転送ゲート１５ａを介して、信号蓄積部１６へ入力される。
【００３５】
信号蓄積部１６では、転送ゲート１５ｂを介して入力された入力信号と、転送ゲート１５ａを介して入力された入力信号とが、図示しない差分回路によって差分されるようなタイミングで出力部へ出力される。出力部では、入力された２つの信号を差分することにより、転送スイッチ２のオン／オフを切り替えたときに生じる固定パターンノイズを除去する。そして、選択信号ΦＳＥＬをロウレベルとして、読み出し動作が終了する。
【００３６】
フォトダイオード１で電荷を蓄積している期間中に、選択スイッチ６のゲート及びリセットスイッチ３のゲートに入力している信号は各々ハイレベルなので、リセット電源４の電位をＶPR、フォースフォロア１０のゲート−ソース間をＶGSとすると、垂直信号線１３側の電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝ＶPR−ＶGS
と表すことができる。
【００３７】
本実施形態において、たとえばＶＰＲ＝３．５Ｖ、ＶＧＳ＝１．５Ｖと設定すると、拡散領域（図２のｉ）とｐウエル（図２のｐ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）間には、２Ｖの逆バイアス電圧が印加され、光電変換部の電位と垂直信号線側の電位の関係は、
ＶＲＥＶ＜Ｖｏｕｔ
の関係にある。
【００３８】
図８は、図２のフォトダイオードａ、ｐ型ウェル及び拡散領域ｉにおける信号電荷に対するポテンシャルを示した図である。なお、図８には、比較のため、従来の拡散領域ｉのポテンシャルも示している。上記のように、フォトダイオード１で電荷を蓄積している間、出力部ｉのポテンシャルをフォトダイオ−ドａのポテンシャルより低くしているため、拡散領域ｉの電荷がｐ型ウェルを介して光電変換部ａ側に流れないようにしているため、フォトダイオード１に電荷を蓄積中に出力部ｉからフォトダイオードａにリーク電流が流れない。
【００３９】
つまり、フォトダイオード１のカソードの電位に対して垂直信号線１３に接続された拡散領域の電位は高く設定されている。このことにより、出力部からフォトダイオード１への電荷の流れ込みをなくすことができる。従って、フォトダイオード１で蓄積された電荷を読み出したときに、その電荷にはノイズが少ないため、高画質の画像が得られる。
【００４０】
ここで、上記の実施形態では、フォトダイオ−ドの電位ａに対して拡散領域ｉの電位を高くしているが、フォトダイオ−ドａの電位と拡散領域ｉの電位関係に関係なく、ｐウエル（ｐ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）と拡散領域ｉ間を逆バイアスにすることによってのみであってもよい。
【００４１】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２の固体撮像素子の等価回路図である。図４に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、垂直信号線１３に直列に第１のスイッチ８を接続している。本実施形態では、第１のスイッチ８を設けることによって、フォトダイオード１に電荷を蓄積しているときに、ソースフォロア１０のソース−ドレイン間に電流を流れないようにして、消費電力を抑制している。なお、図４において、図１と同様の部分には、同一の符号を付している。
【００４２】
図５は、図４に示した固体撮像素子を動作させるタイミングチャートである。図５には、選択信号ΦＳＥＬ、リセット信号ΦＲＥＳ及びトランスファーゲート信号ΦＴＸに加えて、スイッチ８のゲートに入力している信号ΦＩＯＦＦも示している。
【００４３】
本実施形態では、リセット信号ΦＲＥＳをローレベルとすると共に、信号ΦＩＯＦＦをハイレベルとしている。また、トランスファーゲート信号ΦＴＸがハイレベル、ローレベルとされることによってフォトダイオード１に蓄積されている電荷が、フローティングディフュージョン領域１１に転送された後に、リセット信号ΦＲＥＳをハイレベルとすると共に、信号ΦＩＯＦＦをローレベルとしている。
【００４４】
すなわち、信号ΦＩＯＦＦのハイレベル／ローレベルの切り替えは、リセット信号ΦＲＥＳのローレベル／ハイレベルと同じタイミングでされている。こうして、本実施形態では、上記のように、フォトダイオード１において電荷を蓄積しているときに、ソースフォロア１０のソース−ドレイン間に電流を流れないようにして、消費電力を抑えている。
【００４５】
実施形態１、２では、フォｔダイオ−ド１が光電変換によって生じた電気信号を蓄積している間に、転送スイッチをオフ、リセットスイッチ及び選択スイッチをオンにするようなパルスを制御する駆動回路（図９の１０８）が電位制御手段に相当する。
【００４６】
また、実施形態１、２では、選択スイッチ６を増幅トランジスタ１０と垂直信号線１０の間に接続する構成であってもよい。
【００４７】
（実施形態３）
図６は、本発明の実施形態３の固体撮像素子の等価回路図である。図６に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、垂直信号線１３の電位を、電荷を蓄積しているフォトダイオード１の電位よりも高電位であるＶVRとするための第２のスイッチ９及び定電圧源ＶVR１２が設けている。本実施形態では、第２のスイッチ９及び定電圧源ＶVR１２を設けることによって、選択スイッチ６等によらずに、垂直信号線１３の電位をフォトダイオード１の電位よりも高くしている。なお、図６において、図４と同様の部分には、同一の符号を付している。
【００４８】
図７は、図６に示した固体撮像素子を動作させるタイミングチャートである。図７には、選択信号ΦＳＥＬ、リセット信号ΦＲＥＳトランスファーゲート信号ΦＴＸ及び信号ΦＩＯＦＦに加えて、第２のスイッチ９のゲートに入力している信号ΦＶＲも示している。
【００４９】
図７を用いて、図６に示した固体撮像素子の動作について説明する。まず、リセットスイッチ３のゲートに入力しているリセット信号ΦＲＥＳをハイレベルとした状態で、転送スイッチ２のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦＴＸをローレベルとすると、フォトダイオード１では、入射光を光電変換して得られる電荷を蓄積し始める。
【００５０】
このとき、選択スイッチ６のゲートに印加している選択信号ΦＳＥＬをともにハイレベルにして、垂直信号線１３側の電位をフォトダイオード１の電位より高くしている。こうして、垂直信号線１３側からフォトダイオード１へリーク電流が流れないようにする。
【００５１】
また、実施形態２と同様に、信号ΦＩＯＦＦは、リセット信号ΦＲＥＳのローレベル／ハイレベルと同じタイミングでハイレベル／ローレベルの切り替えをしている。さらに、信号ΦＶＲは、リセット信号ΦＲＥＳのハイレベル／ローレベルと同じタイミングでハイレベル／ローレベルの切り替えをしている。
【００５２】
つぎに、リセットスイッチ３のゲートに印加しているリセット信号ΦＲＥＳをローレベル、すなわち、信号ΦＩＯＦＦをハイレベル、信号ΦＶＲをローレベルとした後に、選択信号ΦＳＥＬをハイレベルに切り替える。そして、ノイズ読み出し信号ΦＴＮをハイレベルとして、転送スイッチ２のハイレベル、ローレベルの切り替えによって生じた固定パターンノイズを、垂直信号線１３、転送ゲート１５ｂを介して、信号蓄積部１６へ入力する。
【００５３】
その後、ノイズ読み出し信号ΦＴＮをローレベルとした後に、トランスファーゲート信号ΦＴＸをハイレベルにすると、フォトダイオード１で電荷の蓄積が終了するとともに、蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョン領域１１に転送される。
【００５４】
そして、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにして、フォトダイオード１からフローティングディフュージョン領域１１への電荷の転送を終了させ、フォトダイオード１に、再び電荷を蓄積をさせる。なお、トランスファーゲート信号ＴＸをローレベルにするまでの間に、フォトダイオード１に蓄積されていた電荷は、フローティングディフュージョン領域１１へ転送されることにより空乏層化して、ほぼリセットされたような状態となる。
【００５５】
また、選択信号ΦＳＥＬはハイレベルであるため、フローティングディフュージョン領域１１へ転送された電荷に基づいてソースフォロア１０で増幅されることによって得られる増幅信号は、垂直信号線１３に読み出される。つづいて、転送信号ΦＴＳをハイレベルにすると、垂直信号線１３に読み出された信号は、転送ゲート１５ａを介して、信号蓄積部１６へ入力される。
【００５６】
信号蓄積部１６では、転送ゲート１５ｂを介して入力された入力信号と、転送ゲート１５ａを介して入力された入力信号とが、図示しない差分回路によって差分されるようにタイミングが取られた後に出力部へ出力される。出力部では、入力された２つの信号を差分することにより、転送スイッチ２のオン／オフを切り替えたときに生じる固定パターンノイズを除去している。そして、選択信号ΦＳＥＬをロウレベルとして、読み出し動作が終了する。
【００５７】
本実施形態では、フォトダイオード１で電荷を蓄積しているときに、信号ΦＶＲをハイレベルとしているため、定電圧源ＶVR１２により垂直信号線１３をフォトダイオード１よりも高電位とすることができる。そのため、実施形態１のように選択信号ΦＳＥＬをハイレベルにすることなく、垂直信号線１３側からフォトダイオード１にリーク電流が流れないようにすることができ、そのため、フォトダイオード１で蓄積された電荷を読み出したときに、その電荷にはノイズが少なく、高画質の画像が得られる。
【００５８】
ここで、実施形態３では、実施形態１、２と同様に、フォトダイオ−ドの電位ａと拡散領域ｉの電位に関係なく、ｐウエルｊと拡散領域ｉの間を逆バイアスにすることのみであってもよい。
【００５９】
又、実施形態３では、第２のスイッチ9、定電流源１２、及びフォトダイオ−ド１が光電変換によって生じた電気信号を蓄積している間に、第２のスイッチをオンにするようなパルスを出力するように制御する駆動回路（図９の１０８）が電位制御手段に相当する。
【００６０】
上記の実施形態３では、フォトダイオ−ド１、転送スイッチ２、リセットスイッチ３、選択スイッチ６、増幅トランジスタ１０で１画素を構成しているが、例えばフォトダイオ−ド１と転送スイッチ２によって１画素を構成する等の他の画素構成であってもよい。
【００６１】
（実施形態４）
図９に基づいて、上記で説明した実施形態 １〜３で説明した固体撮像素子を用いた撮像装置について説明する。
【００６２】
図において、１０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１０２は被写体の光学像を固体撮像素子１０４に結像させるレンズ、１０３はレンズ１０２を通った光量を可変するための絞り、１０４はレンズ１０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、１０５は、固体撮像素子１０４から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、１０６は固体撮像素子１０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１０７はＡ／Ｄ変換器１０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、１０８は固体撮像素子１０４、撮像信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、信号処理部１０７に、各種タイミング信号を出力する駆動回路、１０９は各種演算と撮像装置全体を制御する全体制御・演算部、１１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００６３】
次に、前述の構成における撮影時の撮像装置の動作について説明する。
バリア１０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１０９は絞り１０３を開放にし、固体撮像素子１０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０６で変換された後、信号処理部１０７に入力される。
【００６４】
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１０９で行う。
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。
【００６５】
次に、固体撮像素子１０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
【００６６】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
【００６７】
露光が終了すると、固体撮像素子１０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算部１０９によりメモリ部に書き込まれる。
その後、メモリ部１１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撮像装置は、光電変換部で光電変換によって生じた電気信号を蓄積中に、信号線側から光電変換部へリーク電流が流れない。このため、光電変換部で蓄積された電荷を読み出したときに、その電荷にはノイズが少ないため、高画質の画像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の固体撮像素子の等価回路図である。
【図２】図１に示した固体撮像素子の各部分の接続状態を示す模式断面図である。
【図３】図１の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態２の固体撮像素子の等価回路図である。
【図５】図４の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の実施形態３の固体撮像素子の等価回路図である。
【図７】図６の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】図２のフォトダイオード、ｐ型ウェル及び出力部における信号電荷に対するポテンシャルを示した図である。
【図９】実施形態１から３の固体撮像素子を用いた撮像装置を表す図である。
【図１０】従来技術の固体撮像素子の等価回路図である。
【図１１】図８の動作を示すタイミングチャートである。
【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 リセット電圧源
５ 定電圧源
６ 選択スイッチ
７ 定電流源
８ 第１のスイッチ
９ 第２のスイッチ
１０ ソースフォロア
１１ フローティングディフュージョン領域
１２ 定電圧源ＶVR
Claims (5)
- 第１導電型の第１の半導体領域内に第２導電型の第２の半導体領域を形成した光電変換部と、前記光電変換部で発生した電気信号を増幅するための増幅トランジスタと、前記光電変換部を選択して信号線に出力するための選択トランジスタと、を含む画素と、
前記第１の半導体領域内に形成され前記信号線に接続された、少なくとも前記増幅トランジスタまたは選択トランジスタの、ソースまたはドレイン領域として機能する第２導電型の第３の半導体領域と、
前記光電変換部で前記電気信号を蓄積している時に、前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域間を逆バイアスにする電位制御手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記画素は、前記光電変換部からの前記電気信号を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを介して転送された前記電気信号を蓄積し、前記転送トランジスタのドレインとして機能する前記第１の半導体領域内に形成された第２導電型の第４の半導体領域と、
前記第４の半導体領域の電位をリセット電位にリセットするリセットスイッチと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。 - 前記電位制御手段は、前記転送トランジスタをオフし、且つ前記選択トランジスタ及び前記リセットスイッチをオンした状態にすることにより、前記光電変換部に前記電気信号の蓄積をさせるとともに、前記第４の半導体領域の前記電気信号が前記増幅トランジスタにより増幅され、前期選択トランジスタにより前記光電変換部が選択されて、前記信号線に読み出され、前記第３の半導体領域の電位を前記光電変換部の電位よりも高くすることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
- 前記電位制御手段は、前記信号線に接続され、前記第３の半導体領域を前記光電変換部よりも高電位にする電源と、前記電源と前記信号線との間に接続された第１のスイッチ手段を含み、
前記光電変換部で前記電気信号を蓄積しているときに、前記第１のスイッチ手段をオンすることにより、前記第３の半導体領域を前記電源電位に固定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。 - 前記画素に光を結像するレンズと、
前記信号線を介して送られた前記画素からの信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換回路と、
前記アナログ・ディジタル変換回路からの信号の信号処理を行う信号処理回路と、
を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
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