JP4048415B2 - Solid-state imaging device and driving method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像領域部を構成する各画素毎に光電変換素子とその読み出し回路を設けたMOSセンサ型の固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図10は、MOSセンサ型の固体撮像装置における主要部の構成例を示す回路図である。
画素10は、撮像領域内に2次元配列で多数配置されるものであり、各画素には、光電変換素子としてのフォトダイオードPDと、その読み出し回路を構成する4つのMOSトランジスタTr1〜Tr4が設けられている。
フォトダイオードPDは、受光量に応じた信号電荷を生成するものであり、転送トランジスタ(転送ゲート手段)Tr1は、転送パルスに基づいてフォトダイオードPDの信号電荷をフローティングデフュージョン(FD)部に転送するものである。
リセットトランジスタ(リセット手段)Tr2は、リセットパルスに基づいてFD部の電圧を定期的に電源電圧Vddにリセットするものである。
増幅トランジスタ(増幅手段)Tr3は、そのゲートにFD部が接続され、このFD部の電圧変動に応じた出力信号を出力するものである。
選択トランジスタTr4は、画素行を選択する選択パルスに基づいて増幅トランジスタTr3の出力信号を垂直信号線(出力信号線)12に出力するものである。
【0003】
垂直信号線12は、画素列毎に設けられており、一方の端部は撮像領域外で定電流源としてのLoadトランジスタTr5に接続されている。また、垂直信号線12の他方の端部は、撮像領域外で各画素列毎に設けられた信号処理回路に接続されている。
この信号処理回路は、撮像領域の次段に設けられて画素信号に各種の信号処理を施すものであり、この信号処理回路には図10に示すようなCDS(Correlated Double Sampling)回路が含まれている。
このCDS回路は、CDS(Correlated Double Sampling)回路とは、時系列に2つの信号を入力し、その差に比例する信号を出力する回路である。具体的には、トランジスタTr6、Tr7、Tr8、コンデンサCs、Cr、差動アンプ14を有する。
【0004】
そして、フォトダイオードPDの信号電荷がFD部に蓄積された時点でのタイミング信号SHSによってトランジスタTr6をオンすることにより、コンデンサCsによって出力信号をホールドするとともに、FD部がリセットされた時点でのタイミング信号SHRによってトランジスタTr7をオンすることにより、コンデンサCrによって出力信号をホールドする。そして、これら2つのコンデンサCs、Crにホールドしたレベルを差動アンプ14で比較して両者の差分をとり、この差分値をトランジスタTr8を介して水平信号線16に出力する。
【0005】
図11は、このような構成の固体撮像装置における従来の動作例を示すタイミングチャートであり、図12は、図11に示す動作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャル図である。なお、図11と図12でタイミングを示す番号は対応しているものとする。
まず、タイミング0の間、フォトダイオードPDに光電子が溜まっている。そして、タイミング1で、選択トランジスタTr4をオンすると、その画素の増幅トランジスタTr3が垂直信号線12に接続される。
すると、LoadトランジスタTr5によって決められる定電流が、Vdd(電源電圧端子)から増幅トランジスタTr3→垂直信号線12→LoadトランジスタTr5という経路で流れる。
増幅トランジスタTr3とLoadトランジスタTr5はソースフォロアを組むので、増幅トランジスタTr3のゲート電圧、すなわちFD部の電圧に対応した電圧が、垂直信号線12に現れる。これは選択トランジスタTr4をオンしている間、ずっと継続する。
【0006】
次に、タイミング2のリセットパルスで、FD部をリセットする。この直後のタイミング3におけるポテンシャルは、図12の(3)に示すようになる。図示のように、この時点でフォトダイオードPDに光電子が溜まっており、FD部はリセット直後の状態である。
なお、これ以後の説明を分かりやすくするため、このFD部の電圧がVddにほぼ等しいものとする。
タイミング3では、そのFD部の電位に対応した電圧(リセットレベル)が垂直信号線12に現れているので、SHRパルスを入力することにより、これをCDS回路のコンデンサCrにサンプルホールドする。
【0007】
次に、タイミング4のパルスで、フォトダイオードPDの光電子をFD部に転送する。この直後のタイミング5でのポテンシャルは、図12の(5)に示すようになる。図示のように、FD部の電位は、光電子の分だけマイナス側にシフトしている。
そして、このFD部の電位に対応した電圧(信号レベル)が垂直信号線12に現れているので、SHSパルスを入力することにより、これをCDS回路のコンデンサCsにサンプルホールドする。
CDS回路の差動アンプ14は、以上のようにして各コンデンサCs、Crにホールドされた信号レベルとリセットレベルの差に比例する電圧を出力する。
次に、タイミング6で、選択トランジスタTr4をオフして増幅トランジスタTr3を垂直信号線12から切り離す。
この後、H選択手段(水平スキャナ回路)からのトランジスタTr8の制御により、CDS回路の差動アンプ14の出力を水平信号線16に読み出す。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来技術では、以下のような問題点があった。
(1)低電圧化が困難である。すなわち、FD部が実際にはVddより低い電圧でしかリセットできないため、そのリセット電圧から信号電圧振幅をとった上でソースフォロアを安定して動作させなければならないため、リセットの電圧降下分と信号振幅分とソースフォロアの動作電圧とそれらのマージンを見込むと、周辺回路は低電圧化できるのに、画素の動作電圧が電源電圧を律則してしまい、低電圧化できないものとなる。
【0009】
(2)フォトダイオードの大容量化ができないため、ダイナミックレンジが狭い。すなわち、フォトダイオードを大容量化すると、それに対してFD部の容量も大きくしないと、フォトダイオードの光電子をFD部が受けきれず、フォトダイオードに電子が残ってしまうという問題がある。しかし、FD部の容量を大きくすることは電荷を電圧に変換する効率を下げることになり、感度を落とす要因となる。また、画素面積も大きくしてしまう。したがって、フォトダイオードの大容量化ができず、ダイナミックレンジの拡大が困難なものとなる。
【0010】
そこで本発明の目的は、ダイナミックレンジを拡大できるとともに、低電圧化を図ることが可能な固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、半導体基板に複数の画素よりなる撮像領域部と、前記撮像領域部を制御する周辺回路部とを設けて構成され、前記撮像領域部の各画素が、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷をフローティングデフュージョン部に転送する転送ゲート手段と、前記フローティングデフュージョン部の電圧に応じた電気信号を出力信号線に出力する増幅手段と、前記フローティングデフュージョン部の電圧をリセットするリセット手段とを有して構成された固体撮像装置において、前記周辺回路部は、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記転送ゲート手段によってフローティングデフュージョン部に転送した際の信号レベルと前記リセット手段によってフローティングデフュージョン部がリセットされた際の信号レベルとをそれぞれ前記転送ゲート手段がオンした状態で取り込み、その差分値に応じた信号を出力する信号処理回路を有し、前記転送ゲート手段がオンした状態で前記出力信号線に出力される電気信号を前記周辺回路部に設けられた信号処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号を生成することを特徴とする。
【0012】
また、本発明は、半導体基板に複数の画素よりなる撮像領域部と、前記撮像領域部を制御する周辺回路部とを設けて構成され、前記撮像領域部の各画素が、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷をフローティングデフュージョン部に転送する転送ゲート手段と、前記フローティングデフュージョン部の電圧に応じた電気信号を出力信号線に出力する増幅手段と、前記フローティングデフュージョン部の電圧をリセットするリセット手段とを有して構成された固体撮像装置の駆動方法において、前記周辺回路部は、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記転送ゲート手段によってフローティングデフュージョン部に転送した際の信号レベルと前記リセット手段によってフローティングデフュージョン部がリセットされた際の信号レベルとをそれぞれ前記転送ゲート手段がオンした状態で取り込み、その差分値に応じた信号を出力する信号処理回路を有し、前記転送ゲート手段がオンした状態で前記出力信号線に出力される電気信号を前記周辺回路部に設けられた信号処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号を生成することを特徴とする。
【0013】
本発明の固体撮像装置及びその駆動方法では、転送ゲート手段がオンした状態で出力信号線に出力される電気信号を周辺回路部に設けられた信号処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号を生成するようにした。
したがって、転送ゲート手段とフローティングデフュージョン部との容量結合を使ってフローティングデフュージョン部の電圧を上げることができ、その分、画素内の低電圧化を図ることができる。
また、フローティングデフュージョン部と転送ゲート手段のチャネルと光電変換素子とを信号電荷の受け皿として使えるので、取り扱い電子数を増やすことができ、ダイナミックレンジを拡大できる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像装置及びその駆動方法の実施の形態例について説明する。
本実施の形態例は、CMOSセンサ型固体撮像装置を低電圧で広ダイナミックレンジに駆動する方法を提供するものであり、CMOSセンサの各画素信号を読み出す際に、各画素の転送ゲート手段をオンしたまま画素信号の出力信号線の電圧を読み出すことにより、容量結合の分だけ低電圧化を実現し、かつ、取り扱い電荷量を増やすことで、飽和不足を解決し、ダイナミックレンジを拡大するようにしたものである。
【0015】
図1は、本実施の形態によるMOSセンサ型の固体撮像装置の全体構成例を示す概略平面図である。
この固体撮像装置は、半導体チップ110上に形成された撮像画素部112、V選択手段114、H選択手段116、タイミングジェネレータ(TG)118、CDS部120、定電流部122、水平信号線124、出力部126等を含んでいる。
【0016】
撮像画素部112には、上述した撮像領域を構成するものであり、多数の画素が2次元マトリクス状に配列され、各画素には、図10に示したものと同様に、フォトダイオードPD、FD部、転送トランジスタTr1、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3、及び選択トランジスタTr4等が設けられている。なお、以下の説明では、図10に示す符号を適宜援用して説明する。
また、撮像画素部112の各画素は、V選択手段114によって垂直方向に水平ライン(画素行)単位で順次選択され、タイミングジェネレータ118からの各種パルス信号によって各画素のMOSトランジスタが制御されることにより、各画素信号が垂直信号線を通して画素列毎にCDS部120に読み出される。
【0017】
CDS部120は、撮像画素部112の画素列毎に、上述した図10に示すCDS回路を設けたものであり、撮像画素部112の各画素列から読み出された画素信号に対し、CDS処理を行い、その画素信号を水平信号線124を介して出力部126に出力する。
出力部126には、CDS回路からの画素信号に対し、自動利得変換(AGC)、アナログ/デジタル(A/D)変換、増幅等の処理を行う各回路を設けたものである。
また、H選択手段116は、CDS部120からの画素信号出力を水平方向に選択して、これを水平信号線124に出力するものである。
【0018】
また、定電流部122は、上述のような撮像画素部112に対し、各画素列毎に定電流源を供給するものである。
また、タイミングジェネレータ118は、上述した撮像画素部112の各画素以外の各部にも各種のタイミング信号を供給している。
また、出力部126は、水平信号線124から送られてきたデジタル信号を半導体チップ110の外部端子に出力するものである。
なお、このような構成自体は、基本的に従来と同様のものであり、本発明は、以下に説明する駆動方法に特徴を有するものである。
【0019】
図2は、本実施の形態例による固体撮像装置における第1の動作例(第1実施例)を示すタイミングチャートであり、図3は、図2に示す第1実施例の動作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャル図である。なお、図2と図3でタイミングを示す番号は対応しているものとする。
本例において、図2のタイミング2〜6で選択トランジスタTr4がオンしている期間は、FD部の電位に対応する電圧が垂直信号線に出力されているのは従来例と同じである。
しかし、図2では、タイミング2のリセットパルス(第1のリセットパルス)でFD部をリセットする。また、タイミング3で転送ゲートTr1をオンした状態でCDS回路のトランジスタTr6にSHSパルスを入力し、垂直信号線12の電圧(信号レベル)をCDS回路のコンデンサCsに取り込む。ここではフォトダイオードPDの光電子がFD部に転送されてポテンシャルは図3の(3)に示す状態となっている。
【0020】
ここで従来例と異なるのは、
(1)転送ゲートTr1にHighレベルのゲート信号が入っているので、転送ゲートTr1のチャネル下も電圧の高い状態になっていることと、
(2)FD部に光電子が存在するが、転送ゲートTr1とFD部との容量結合によって、リセット電圧(ここではおよそVdd)よりも高い電圧から光電子が溜まっている、
ことである。
本例では、特に後者が重要である。これによって画素の駆動電圧が低電圧化できる。この転送ゲートTr1とFD部の容量結合分は、電源電圧2.5Vに対して、およそ0.5V程度であり、低電圧化に重要な役割を果たすことになる。
【0021】
次に、図2に戻って説明を続けると、上述したタイミング3の後で転送パルスを立ち下げた後、タイミング4でFD部を第2のリセットパルスによってリセットし、再び転送パルスを立上げ、タイミング5で、トランジスタTr7にSHRパルスを入力し、垂直信号線12の電圧(リセットレベル)をCDS回路のコンデンサCrに入力する。
この時点でのポテンシャルは、図3の(5)に示すような状態となる。
ここでは転送ゲートTr1とFD部との容量結合によって、FD部はリセット電圧(およそVdd)よりも高い電圧になっている。この分が上述のように低電圧化に寄与する。
この後、CDS回路の差動アンプ14は上記信号レベルとリセットレベルの差に比例する信号を出力し、次いで、転送ゲートTr1、選択ゲートTr4を閉じて画素の動作が終了する。
【0022】
なお、撮像画素部112において、各画素10は行列状に配列されており、この走査で1行分の画素が全て同時に駆動され、1行分の画素信号がCDS回路を配列したCDS部に同時に読み出されて、保持される。その後、光電子蓄積期間に入る。
そして、図2では省略しているが、この期間にH選択手段116を動作させて、CDS回路の出力を順番に水平信号線116に導いて出力する。
この後、V選択手段114で次の行を選択し、同様の動作を行えば、次の行の信号が読み出さる。そして、このV選択手段114で順次走査することによって、全ての行の信号を読み出すことができる。
このようにして低電圧、広ダイナミックレンジの固体撮像装置を実現することができる。
【0023】
次に、第2の動作例(第2実施例)について説明する。
この第2実施例は、フォトダイオードPDのポテンシャル井戸が深かったり、容量が大きくて光電子をFD部で受けきれない場合に対応することを目的としたものである。
図4は、この第2実施例における動作を示すタイミングチャートであり、図5は、図4に示す第2実施例の動作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャル図である。なお、図4と図5でタイミングを示す番号は対応しているものとする。まず、選択トランジスタTr4をオンした後、リセットパルス(第1のリセットパルス)を入力してから転送ゲートTr1をオンし、タイミング3でSHSパルスにより垂直信号線12の電圧(信号レベル)をコンデンサCsに取り込むことは第1実施例と同じである。
このとき、FD部で光電子が受けきれないと、図5の(3)に示すように転送ゲートTr1のチャネルやフォトダイオードPDにまで光電子が存在する。この状態で信号を出すので、従来の転送ゲートTr1をオフしてフォトダイオードPDとFD部を分離する場合と異なり、全光電子の信号を読み出すことができる。
【0024】
図6は、フォトダイオードにおける受光光量と出力信号量との関係を示す説明図である。
図示のように、光量が小さい場合はFD部で光電子を受けきれるので、光量−出力曲線の傾きが比較的大きい。
また、光量が増えると、FD部と転送ゲートTr1のチャネルで受けるようになるので、傾きがなだらかになる。そして、光量がさらに増えると、フォトダイオードPDにも光電子が残るようになるので、さらに傾きがなだらかになる。
このように、光電子をFD部で受けきれない場合でも、暗いところは感度を高くし、明るいところは感度を落とすことにより、取り扱い光電子数を多くした出力が可能である。
次に、リセットゲートTr2もオン(活性化)すると、FD部とフォトダイオードPDが両方リセットされる。特にFD部はおよそVddの電圧にリセットされる。それからタイミング4で転送ゲートTr1をオフすると、容量結合でFD部の電圧が下がろうとするが、リセットゲートTr2がオン(活性化)しているので、FD部の電位はやはりおよそVddに保たれる。この順番が図2で示した第1実施例との相違であり、順番が逆であるとフォトダイオードPDに残った光電子がリセットされないことになる。
【0025】
それからリセットゲートTr2をオフ(不活性化)して、次に転送ゲートTr1をオンすると、タイミング5では第1実施例と同じ状態に復帰する。このときの垂直信号線12の電圧(リセットレベル)をSHRパルスによりコンデンサCrに取り込んで処理し、転送ゲートTr1と選択トランジスタTr4をオフするのは第1実施例と同様である。
これにより、フォトダイオードPDの飽和電子数が多くてFD部で受けきれない場合でも、暗いところは感度が高く、明るいところは感度が落ち、取り扱い光電子数を多くした出力が可能である。また、転送ゲートTr1とFD部の容量結合を用いた低電圧化の効果も第1実施例と同じなのは明らかである。
もちろん、フォトダイオードPDの飽和光電子数が少なく、FD部で全て受けきれる場合に、この動作を行っても何ら問題は無いものである。
【0026】
次に、第3の動作例(第3実施例)について説明する。
この第3実施例は、ダイナミックレンジをさらに拡大することが可能な駆動方法を提供するものである。
図7は、この第3実施例における動作を示すタイミングチャートである。また、この第3実施例におけるポテンシャル図は図5と共通であるので、これを援用して説明する。なお、図7と図5でタイミングを示す番号は対応しているものとする。
この第3実施例は、上記第2実施例の動作に対して、図4に示した選択トランジスタTr4のオン直後のリセットパルスが無いことが異なる。
光量が大きい場合には、タイミング0の光電子蓄積期間中にフォトダイオードPDからFD部に電子が溢れ、FD部にも光電子が溜まっているが、タイミング3では、これをリセットすることなく、フォトダイオードPDから転送された光電子が加算された状態になっている(図5参照)。
【0027】
この後の動作は第2実施例と同じである。したがって、この第3実施例では、第2実施例と同じ効果を保持したまま、取り扱い電荷量がフォトダイオードPDの飽和量ではなく、フォトダイオードPDの飽和量とFD部の飽和量の和まで増える。
ただし、この第3実施例では、タイミング0の期間にFD部に溜まっていた暗電荷(光に関係なく発生する雑音成分)を一緒に読み出してしまうことになるため、ノイズ的には不利である。
そこで、固体撮像装置の用途に応じて、低ノイズ化が可能な第2実施例の駆動方法と、ダイナミックレンジの拡大が可能な第3実施例の駆動方法を適宜選択して採用することが好ましい。
【0028】
次に、第4の動作例(第4実施例)について説明する。
この第4実施例は、ダイナミックレンジを拡大しつつ、動作時間を節約する駆動方法を提供するものである。
図8は、この第4実施例における動作を示すタイミングチャートであり、図9は、図8に示す第4実施例の動作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャル図である。なお、図8と図9でタイミングを示す番号は対応しているものとする。
この第4実施例において、選択トランジスタTr4のオン直後のリセットパルスが無いことは、上記第3実施例と同様である。
次に、タイミング2で転送ゲートTr1をオンし、タイミング3でSHSパルスを入力して信号レベルをコンデンサCsに取り込む。そして、タイミング4でリセットし、タイミング5でSHRパルスを入力してリセットレベルをコンデンサCrに取り込む。
この場合のタイミング3とタイミング5のポテンシャルは、図9の(3)(5)に示すような状態となる。
【0029】
また、FD部をリセットするときも、転送ゲートTr1をオンしているので、タイミング5のFD部のリセット電圧は、これまでの結合容量による上昇効果は無く、この場合、およそVddになっている。
また、タイミング3ではFD部に光電子が転送されているが、上述した図5の(3)のように、その電圧から光電子が溜まる。したがって、低電圧化の効果は無い。
しかし、取り扱い電荷量がフォトダイオードPDの飽和量とFD部の飽和量の和となり、ダイナミックレンジが広がることは第3実施例と同じてあり、ダイナミックレンジを拡大する効果は得ることができる。
そして、この第4実施例では、駆動パルスが簡単であるので、動作時間を節約したい場合に有効である。
【0030】
以上、本実施の形態例における4つの実施例について説明してきたが、いずれも電子シャッタ機能を設けることが可能である。
また、画素のトランジスタをNMOSとしたが、これをPMOSとして電圧の極性を入れ替えても同様である。
また、光電変換素子はフォトダイオードでなくともよく、例えばフォトゲート等であっても良い。
また、駆動方法は、例えば上述の例でリセットパルスを1個としたところを、複数個のパルスで実行するなど、本発明の趣旨を変えない範囲で種々変形することが可能である。
【0031】
また、上述の例では、垂直信号線に画素から電圧が出力される構成としたが、出力信号線は水平方向の配線であってもよく、また、出力信号は電流信号であっても良い。
また、画素構造としては、上述のように4つのトランジスタで構成する方式のものに限らない。
また、次段の信号処理回路として、CDS回路を例としたが、例えばCDSの効果をもつA/D変換器等であっても良いし、単にリセットレベルと信号レベルを保持するだけの回路として、CDSについては、さらに後段に配置するような構成を採用することも可能である。このように本発明は種々の構成で実施することができる。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置によれば、転送ゲート手段がオンした状態で出力信号線に出力される電気信号を周辺回路部に設けられた信号処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号を生成することから、転送ゲート手段とフローティングデフュージョン部との容量結合を使ってフローティングデフュージョン部の電圧を上げることができ、その分、画素内の低電圧化を図ることができる。
また、フローティングデフュージョン部と転送ゲート手段のチャネルと光電変換素子とを信号電荷の受け皿として使えるので、取り扱い電子数を増やすことができ、ダイナミックレンジを拡大できる。
【0033】
また同様に、本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、転送ゲート手段がオンした状態で出力信号線に出力される電気信号を周辺回路部に設けられた信号処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号を生成することから、転送ゲート手段とフローティングデフュージョン部との容量結合を使ってフローティングデフュージョン部の電圧を上げることができ、その分、画素内の低電圧化を図ることができる。
また、フローティングデフュージョン部と転送ゲート手段のチャネルと光電変換素子とを信号電荷の受け皿として使えるので、取り扱い電子数を増やすことができ、ダイナミックレンジを拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態によるMOSセンサ型の固体撮像装置の全体構成例を示す概略平面図である。
【図2】本発明の第1実施例における動作を示すタイミングチャートである。
【図3】図2に示す第1実施例の動作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャル図である。
【図4】本発明の第2実施例における動作を示すタイミングチャートである。
【図5】図4に示す第2実施例の動作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャル図である。
【図6】本発明の第2〜第4実施例におけるフォトダイオードの受光光量と出力信号量との関係を示す説明図である。
【図7】本発明の第3実施例における動作を示すタイミングチャートである。
【図8】本発明の第4実施例における動作を示すタイミングチャートである。
【図9】図8に示す第4実施例の動作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャル図である。
【図10】従来のMOSセンサ型の固体撮像装置における出力要部の構成例を示す回路図である。
【図11】図10に示す固体撮像装置の動作例を示すタイミングチャートである。
【図12】図11に示す動作時における信号電荷の遷移を示すポテンシャル図である。
【符号の説明】
110……半導体チップ、112……撮像画素部、114……V選択手段、116……H選択手段、118……タイミングジェネレータ(TG)、120……CDS部、122……定電流部、124……水平信号線、126……出力部。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a MOS sensor type solid-state imaging device provided with a photoelectric conversion element and a readout circuit for each pixel constituting an imaging region portion, and a driving method thereof.
[0002]
[Prior art]
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a main part in a MOS sensor type solid-state imaging device.
A large number of pixels 10 are arranged in a two-dimensional array in the imaging region, and each pixel is provided with a photodiode PD as a photoelectric conversion element and four MOS transistors Tr1 to Tr4 constituting a readout circuit thereof. It has been.
The photodiode PD generates a signal charge corresponding to the amount of received light, and the transfer transistor (transfer gate means) Tr1 transfers the signal charge of the photodiode PD to the floating diffusion (FD) section based on the transfer pulse. To do.
The reset transistor (reset means) Tr2 periodically resets the voltage of the FD section to the power supply voltage Vdd based on the reset pulse.
The amplifying transistor (amplifying means) Tr3 has an FD portion connected to its gate, and outputs an output signal corresponding to the voltage fluctuation of the FD portion.
The selection transistor Tr4 outputs the output signal of the amplification transistor Tr3 to the vertical signal line (output signal line) 12 based on a selection pulse for selecting a pixel row.
[0003]
The vertical signal line 12 is provided for each pixel column, and one end thereof is connected to a load transistor Tr5 as a constant current source outside the imaging region. The other end of the vertical signal line 12 is connected to a signal processing circuit provided for each pixel column outside the imaging region.
This signal processing circuit is provided at the next stage of the imaging region and performs various kinds of signal processing on the pixel signal. This signal processing circuit includes a CDS (Correlated Double Sampling) circuit as shown in FIG. ing.
In this CDS circuit, a CDS (Correlated Double Sampling) circuit is a circuit that inputs two signals in time series and outputs a signal proportional to the difference between them. Specifically, transistors Tr6, Tr7, Tr8, capacitors Cs, Cr, and a differential amplifier 14 are included.
[0004]
Then, the transistor Tr6 is turned on by the timing signal SHS when the signal charge of the photodiode PD is accumulated in the FD portion, whereby the output signal is held by the capacitor Cs and the timing at the time when the FD portion is reset. By turning on the transistor Tr7 by the signal SHR, the output signal is held by the capacitor Cr. Then, the levels held in the two capacitors Cs and Cr are compared by the differential amplifier 14 to obtain a difference between the two, and the difference value is output to the horizontal signal line 16 via the transistor Tr8.
[0005]
FIG. 11 is a timing chart showing a conventional operation example in the solid-state imaging device having such a configuration, and FIG. 12 is a potential diagram showing signal charge transitions during the operation shown in FIG. Note that the numbers indicating the timing in FIGS. 11 and 12 correspond to each other.
First, during timing 0, photoelectrons are accumulated in the photodiode PD. When the selection transistor Tr4 is turned on at timing 1, the amplification transistor Tr3 of the pixel is connected to the vertical signal line 12.
Then, a constant current determined by the load transistor Tr5 flows from Vdd (power supply voltage terminal) through a path of the amplification transistor Tr3 → the vertical signal line 12 → the load transistor Tr5.
Since the amplification transistor Tr3 and the load transistor Tr5 form a source follower, a gate voltage of the amplification transistor Tr3, that is, a voltage corresponding to the voltage of the FD portion appears on the vertical signal line 12. This continues for as long as the selection transistor Tr4 is turned on.
[0006]
Next, the FD section is reset by a reset pulse at timing 2. The potential at timing 3 immediately after this is as shown in (3) of FIG. As shown in the figure, photoelectrons have accumulated in the photodiode PD at this time, and the FD portion is in a state immediately after reset.
In order to make the following description easy to understand, it is assumed that the voltage of the FD section is substantially equal to Vdd.
At timing 3, since a voltage (reset level) corresponding to the potential of the FD portion appears on the vertical signal line 12, by inputting an SHR pulse, this is sampled and held in the capacitor Cr of the CDS circuit.
[0007]
Next, the photoelectrons of the photodiode PD are transferred to the FD portion with a pulse of timing 4. The potential at the timing 5 immediately after this is as shown in (5) of FIG. As shown in the figure, the potential of the FD portion is shifted to the minus side by the amount of photoelectrons.
Since a voltage (signal level) corresponding to the potential of the FD portion appears on the vertical signal line 12, when an SHS pulse is input, it is sampled and held in the capacitor Cs of the CDS circuit.
The differential amplifier 14 of the CDS circuit outputs a voltage proportional to the difference between the signal level held in the capacitors Cs and Cr and the reset level as described above.
Next, at timing 6, the selection transistor Tr4 is turned off to disconnect the amplification transistor Tr3 from the vertical signal line 12.
Thereafter, the output of the differential amplifier 14 of the CDS circuit is read out to the horizontal signal line 16 under the control of the transistor Tr8 from the H selection means (horizontal scanner circuit).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional techniques as described above have the following problems.
(1) Low voltage is difficult. That is, since the FD section can actually be reset only at a voltage lower than Vdd, the signal follower amplitude must be taken from the reset voltage, and the source follower must be stably operated. Considering the amplitude, the source follower operating voltage, and their margins, the peripheral circuit can be reduced in voltage, but the pixel operating voltage regulates the power supply voltage and cannot be reduced.
[0009]
(2) Since the capacity of the photodiode cannot be increased, the dynamic range is narrow. That is, when the capacity of the photodiode is increased, unless the capacity of the FD portion is increased, the photoelectrons of the photodiode cannot be received by the FD portion, and electrons remain in the photodiode. However, increasing the capacity of the FD portion reduces the efficiency of converting charges into voltage, which causes a decrease in sensitivity. Also, the pixel area is increased. Accordingly, the capacity of the photodiode cannot be increased, and it is difficult to expand the dynamic range.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a driving method thereof capable of expanding a dynamic range and reducing a voltage.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention comprises a semiconductor substrate provided with an imaging region unit composed of a plurality of pixels and a peripheral circuit unit that controls the imaging region unit, and each pixel of the imaging region unit receives light. A photoelectric conversion element for generating a signal charge according to the amount, a transfer gate means for transferring the signal charge generated by the photoelectric conversion element to a floating diffusion part, and an electric signal according to the voltage of the floating diffusion part. In a solid-state imaging device configured to include amplification means for outputting to an output signal line, and reset means for resetting the voltage of the floating diffusion section, The peripheral circuit unit includes a signal level when the signal charge generated by the photoelectric conversion element is transferred to the floating diffusion unit by the transfer gate unit, and a signal level when the floating diffusion unit is reset by the reset unit. Each having the transfer gate means turned on, and a signal processing circuit for outputting a signal corresponding to the difference value, An electrical signal output to the output signal line in a state where the transfer gate means is turned on is captured by a signal processing circuit provided in the peripheral circuit section, and an imaging signal is generated from the captured signal.
[0012]
Further, the present invention is configured by providing a semiconductor substrate with an imaging region unit composed of a plurality of pixels and a peripheral circuit unit for controlling the imaging region unit, and each pixel of the imaging region unit corresponds to the amount of received light A photoelectric conversion element that generates a signal charge, transfer gate means that transfers the signal charge generated by the photoelectric conversion element to a floating diffusion unit, and an electrical signal corresponding to the voltage of the floating diffusion unit to an output signal line In a driving method of a solid-state imaging device configured to include an amplifying unit that outputs and a reset unit that resets a voltage of the floating diffusion unit, The peripheral circuit unit includes a signal level when the signal charge generated by the photoelectric conversion element is transferred to the floating diffusion unit by the transfer gate unit, and a signal level when the floating diffusion unit is reset by the reset unit. Each having the transfer gate means turned on, and a signal processing circuit for outputting a signal corresponding to the difference value, An electrical signal output to the output signal line in a state where the transfer gate means is turned on is captured by a signal processing circuit provided in the peripheral circuit section, and an imaging signal is generated from the captured signal.
[0013]
In the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the present invention, an electrical signal output to the output signal line in a state where the transfer gate means is turned on is captured by a signal processing circuit provided in the peripheral circuit unit, and an imaging signal is obtained from the captured signal. Was generated.
Therefore, the voltage of the floating diffusion part can be increased by using the capacitive coupling between the transfer gate means and the floating diffusion part, and the voltage in the pixel can be reduced accordingly.
Further, since the floating diffusion part, the channel of the transfer gate means, and the photoelectric conversion element can be used as a signal charge receiving tray, the number of handling electrons can be increased and the dynamic range can be expanded.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a solid-state imaging device and a driving method thereof according to the present invention will be described below.
The present embodiment provides a method for driving a CMOS sensor type solid-state imaging device with a low voltage and a wide dynamic range. When a pixel signal of a CMOS sensor is read, the transfer gate means of each pixel is turned on. By reading the voltage of the output signal line of the pixel signal as it is, the voltage is reduced by the amount of capacitive coupling, and the amount of charge handled is increased to solve the shortage of saturation and expand the dynamic range. It is a thing.
[0015]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an example of the entire configuration of a MOS sensor type solid-state imaging device according to the present embodiment.
This solid-state imaging device includes an imaging pixel unit 112 formed on a semiconductor chip 110, a V selection unit 114, an H selection unit 116, a timing generator (TG) 118, a CDS unit 120, a constant current unit 122, a horizontal signal line 124, An output unit 126 and the like are included.
[0016]
The imaging pixel unit 112 constitutes the above-described imaging region, and a large number of pixels are arranged in a two-dimensional matrix, and each pixel has a photodiode PD, FD as shown in FIG. , A transfer transistor Tr1, a reset transistor Tr2, an amplification transistor Tr3, a selection transistor Tr4, and the like. In the following description, the reference numerals shown in FIG.
In addition, each pixel of the imaging pixel unit 112 is sequentially selected in units of horizontal lines (pixel rows) in the vertical direction by the V selection unit 114, and the MOS transistor of each pixel is controlled by various pulse signals from the timing generator 118. Thus, each pixel signal is read out to the CDS unit 120 for each pixel column through the vertical signal line.
[0017]
The CDS unit 120 is provided with the above-described CDS circuit shown in FIG. 10 for each pixel column of the imaging pixel unit 112, and performs CDS processing on the pixel signal read from each pixel column of the imaging pixel unit 112. And the pixel signal is output to the output unit 126 via the horizontal signal line 124.
The output unit 126 is provided with circuits that perform processing such as automatic gain conversion (AGC), analog / digital (A / D) conversion, and amplification on the pixel signal from the CDS circuit.
The H selection means 116 selects the pixel signal output from the CDS unit 120 in the horizontal direction and outputs it to the horizontal signal line 124.
[0018]
The constant current unit 122 supplies a constant current source for each pixel column to the imaging pixel unit 112 as described above.
The timing generator 118 also supplies various timing signals to each part other than each pixel of the imaging pixel part 112 described above.
The output unit 126 outputs a digital signal sent from the horizontal signal line 124 to an external terminal of the semiconductor chip 110.
Such a configuration itself is basically the same as the conventional one, and the present invention is characterized by a driving method described below.
[0019]
FIG. 2 is a timing chart showing a first operation example (first example) in the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 3 shows signal charges during the operation of the first example shown in FIG. It is a potential diagram which shows the transition of. Note that the numbers indicating the timing in FIGS. 2 and 3 correspond to each other.
In this example, during the period in which the selection transistor Tr4 is on at the timings 2 to 6 in FIG. 2, the voltage corresponding to the potential of the FD portion is output to the vertical signal line as in the conventional example.
However, in FIG. 2, the FD section is reset by a reset pulse (first reset pulse) at timing 2. Further, with the transfer gate Tr1 turned on at timing 3, an SHS pulse is input to the transistor Tr6 of the CDS circuit, and the voltage (signal level) of the vertical signal line 12 is taken into the capacitor Cs of the CDS circuit. Here, the photoelectrons of the photodiode PD are transferred to the FD portion, and the potential is in the state shown in (3) of FIG.
[0020]
The difference here is that
(1) Since a high-level gate signal is input to the transfer gate Tr1, the voltage under the channel of the transfer gate Tr1 is also high.
(2) Although photoelectrons exist in the FD portion, photoelectrons are accumulated from a voltage higher than the reset voltage (here, approximately Vdd) due to capacitive coupling between the transfer gate Tr1 and the FD portion.
That is.
In the present example, the latter is particularly important. As a result, the driving voltage of the pixel can be lowered. The capacitive coupling between the transfer gate Tr1 and the FD portion is about 0.5V with respect to the power supply voltage of 2.5V, and plays an important role in lowering the voltage.
[0021]
Next, returning to FIG. 2 and continuing the explanation, after the transfer pulse is lowered after the timing 3 described above, the FD section is reset by the second reset pulse at the timing 4, and the transfer pulse is raised again. At timing 5, an SHR pulse is input to the transistor Tr7, and the voltage (reset level) of the vertical signal line 12 is input to the capacitor Cr of the CDS circuit.
The potential at this point is as shown in (5) of FIG.
Here, due to the capacitive coupling between the transfer gate Tr1 and the FD portion, the FD portion has a voltage higher than the reset voltage (approximately Vdd). This amount contributes to lowering the voltage as described above.
Thereafter, the differential amplifier 14 of the CDS circuit outputs a signal proportional to the difference between the signal level and the reset level, and then the transfer gate Tr1 and the selection gate Tr4 are closed to complete the pixel operation.
[0022]
Note that in the imaging pixel unit 112, the pixels 10 are arranged in a matrix, and all the pixels for one row are simultaneously driven by this scanning, and the pixel signals for one row are simultaneously applied to the CDS unit in which the CDS circuits are arranged. Read and hold. Thereafter, the photoelectron accumulation period starts.
Then, although omitted in FIG. 2, the H selection means 116 is operated during this period, and the output of the CDS circuit is sequentially guided to the horizontal signal line 116 and output.
Thereafter, when the next row is selected by the V selection means 114 and the same operation is performed, the signal of the next row is read out. The signals of all rows can be read out by sequentially scanning with the V selection means 114.
In this manner, a solid-state imaging device with a low voltage and a wide dynamic range can be realized.
[0023]
Next, a second operation example (second embodiment) will be described.
The second embodiment is intended to cope with the case where the potential well of the photodiode PD is deep or the capacitance is large so that photoelectrons cannot be received by the FD portion.
FIG. 4 is a timing chart showing the operation in the second embodiment, and FIG. 5 is a potential diagram showing signal charge transition during the operation of the second embodiment shown in FIG. Note that the numbers indicating the timing in FIGS. 4 and 5 correspond to each other. First, after the selection transistor Tr4 is turned on, a reset pulse (first reset pulse) is input, and then the transfer gate Tr1 is turned on. At timing 3, the voltage (signal level) of the vertical signal line 12 is set to the capacitor Cs by the SHS pulse. This is the same as the first embodiment.
At this time, if the photoelectrons cannot be received by the FD portion, the photoelectrons exist up to the channel of the transfer gate Tr1 and the photodiode PD as shown in (3) of FIG. Since the signal is output in this state, the signal of all photoelectrons can be read, unlike the case where the photodiode PD and the FD portion are separated by turning off the conventional transfer gate Tr1.
[0024]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of received light and the amount of output signal in the photodiode.
As shown in the figure, when the light amount is small, the photoelectrons can be received by the FD unit, so that the gradient of the light amount-output curve is relatively large.
Further, when the amount of light increases, the light is received by the channels of the FD portion and the transfer gate Tr1, so that the inclination becomes gentle. When the amount of light further increases, photoelectrons remain in the photodiode PD, so that the inclination becomes gentler.
As described above, even when the photoelectrons cannot be received by the FD portion, it is possible to increase the number of photoelectrons handled by increasing the sensitivity in a dark place and decreasing the sensitivity in a bright place.
Next, when the reset gate Tr2 is also turned on (activated), both the FD portion and the photodiode PD are reset. In particular, the FD section is reset to a voltage of approximately Vdd. Then, when the transfer gate Tr1 is turned off at timing 4, the voltage of the FD portion tends to decrease due to capacitive coupling. However, since the reset gate Tr2 is turned on (activated), the potential of the FD portion is still kept at approximately Vdd. It is. This order is different from the first embodiment shown in FIG. 2, and if the order is reversed, the photoelectrons remaining in the photodiode PD are not reset.
[0025]
Then, when the reset gate Tr2 is turned off (inactivated) and then the transfer gate Tr1 is turned on, the timing 5 returns to the same state as in the first embodiment. The voltage (reset level) of the vertical signal line 12 at this time is taken into the capacitor Cr by the SHR pulse and processed, and the transfer gate Tr1 and the selection transistor Tr4 are turned off as in the first embodiment.
Thus, even when the photodiode PD has a large number of saturated electrons and cannot be received by the FD portion, the sensitivity is high in a dark place, the sensitivity is lowered in a bright place, and an output with a large number of handled photoelectrons is possible. It is also clear that the effect of lowering the voltage using capacitive coupling between the transfer gate Tr1 and the FD portion is the same as that of the first embodiment.
Of course, there is no problem even if this operation is performed when the photodiode PD has a small number of saturated photoelectrons and can be received by the FD portion.
[0026]
Next, a third operation example (third embodiment) will be described.
The third embodiment provides a driving method capable of further expanding the dynamic range.
FIG. 7 is a timing chart showing the operation in the third embodiment. Further, the potential diagram in the third embodiment is the same as that in FIG. 5 and will be described with reference to FIG. Note that the numbers indicating the timing in FIGS. 7 and 5 correspond to each other.
The third embodiment is different from the operation of the second embodiment in that there is no reset pulse immediately after the selection transistor Tr4 shown in FIG. 4 is turned on.
When the amount of light is large, electrons overflow from the photodiode PD to the FD portion during the photoelectron accumulation period at timing 0, and photoelectrons accumulate in the FD portion. At timing 3, the photodiode is not reset. The photoelectrons transferred from the PD are added (see FIG. 5).
[0027]
The subsequent operation is the same as in the second embodiment. Therefore, in the third embodiment, while maintaining the same effect as in the second embodiment, the amount of charge handled increases not to the saturation amount of the photodiode PD but to the sum of the saturation amount of the photodiode PD and the saturation amount of the FD portion. .
However, this third embodiment is disadvantageous in terms of noise because dark charges (noise components generated regardless of light) accumulated in the FD section during the period of timing 0 are read together. .
Therefore, it is preferable to appropriately select and employ the driving method of the second embodiment capable of reducing noise and the driving method of the third embodiment capable of expanding the dynamic range according to the use of the solid-state imaging device. .
[0028]
Next, a fourth operation example (fourth embodiment) will be described.
The fourth embodiment provides a driving method that saves operating time while expanding the dynamic range.
FIG. 8 is a timing chart showing the operation in the fourth embodiment, and FIG. 9 is a potential diagram showing signal charge transitions during the operation of the fourth embodiment shown in FIG. Note that the numbers indicating the timing in FIGS. 8 and 9 correspond to each other.
In the fourth embodiment, there is no reset pulse immediately after the selection transistor Tr4 is turned on, as in the third embodiment.
Next, the transfer gate Tr1 is turned on at timing 2, and an SHS pulse is input at timing 3 to take in the signal level to the capacitor Cs. Then, reset is performed at timing 4 and an SHR pulse is input at timing 5 to capture the reset level into the capacitor Cr.
In this case, the potentials of timing 3 and timing 5 are as shown in (3) and (5) of FIG.
[0029]
Also, when resetting the FD portion, the transfer gate Tr1 is turned on, so that the reset voltage of the FD portion at timing 5 has no increase effect due to the coupling capacitance so far, and in this case, is approximately Vdd. .
At timing 3, photoelectrons are transferred to the FD section, but photoelectrons accumulate from the voltage as shown in FIG. 5 (3). Therefore, there is no effect of lowering the voltage.
However, the amount of charge handled is the sum of the saturation amount of the photodiode PD and the saturation amount of the FD portion, and the dynamic range is widened as in the third embodiment, and the effect of widening the dynamic range can be obtained.
In the fourth embodiment, since the drive pulse is simple, it is effective when it is desired to save the operation time.
[0030]
As described above, the four examples of the present embodiment have been described, but any of them can be provided with an electronic shutter function.
Further, although the pixel transistor is an NMOS, it is the same even if the voltage polarity is changed by using it as a PMOS.
In addition, the photoelectric conversion element may not be a photodiode, and may be, for example, a photogate.
Further, the driving method can be variously modified within a range that does not change the gist of the present invention, for example, a case where the number of reset pulses is one in the above-described example is executed with a plurality of pulses.
[0031]
In the above example, the voltage is output from the pixel to the vertical signal line. However, the output signal line may be a horizontal wiring, and the output signal may be a current signal.
In addition, the pixel structure is not limited to the one having four transistors as described above.
Further, although the CDS circuit is taken as an example of the signal processing circuit at the next stage, for example, an A / D converter having a CDS effect may be used, or a circuit that simply holds the reset level and the signal level. For the CDS, it is also possible to adopt a configuration in which the CDS is arranged in the subsequent stage. Thus, the present invention can be implemented in various configurations.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the solid-state imaging device of the present invention, the electrical signal output to the output signal line with the transfer gate means turned on is captured by the signal processing circuit provided in the peripheral circuit section, and the captured signal Since the imaging signal is generated from the voltage, the voltage of the floating diffusion portion can be increased by using the capacitive coupling between the transfer gate means and the floating diffusion portion, and the voltage in the pixel can be reduced accordingly. .
Further, since the floating diffusion part, the channel of the transfer gate means, and the photoelectric conversion element can be used as a signal charge receiving tray, the number of handling electrons can be increased and the dynamic range can be expanded.
[0033]
Similarly, according to the driving method of the solid-state imaging device of the present invention, the electric signal output to the output signal line with the transfer gate means turned on is captured by the signal processing circuit provided in the peripheral circuit section and captured. Since the imaging signal is generated from the signal, the voltage of the floating diffusion portion can be increased by using the capacitive coupling between the transfer gate means and the floating diffusion portion, and the voltage in the pixel can be reduced accordingly. Can do.
Further, since the floating diffusion part, the channel of the transfer gate means, and the photoelectric conversion element can be used as a signal charge receiving tray, the number of handling electrons can be increased and the dynamic range can be expanded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an overall configuration example of a MOS sensor type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart showing an operation in the first embodiment of the present invention.
3 is a potential diagram showing signal charge transitions during the operation of the first embodiment shown in FIG. 2; FIG.
FIG. 4 is a timing chart showing an operation in the second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a potential diagram showing signal charge transition during operation of the second embodiment shown in FIG. 4;
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of light received by the photodiode and the amount of output signal in the second to fourth embodiments of the present invention.
FIG. 7 is a timing chart showing an operation in the third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a timing chart showing an operation in the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a potential diagram showing signal charge transition during operation of the fourth embodiment shown in FIG. 8;
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an output main part in a conventional MOS sensor type solid-state imaging device;
11 is a timing chart illustrating an operation example of the solid-state imaging device illustrated in FIG. 10;
12 is a potential diagram showing signal charge transition during the operation shown in FIG. 11; FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Semiconductor chip, 112 ... Imaging pixel part, 114 ... V selection means, 116 ... H selection means, 118 ... Timing generator (TG), 120 ... CDS part, 122 ... Constant current part, 124 ... horizontal signal line, 126 ... output section.

Claims (10)

半導体基板に複数の画素よりなる撮像領域部と、前記撮像領域部を制御する周辺回路部とを設けて構成され、
前記撮像領域部の各画素が、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷をフローティングデフュージョン部に転送する転送ゲート手段と、前記フローティングデフュージョン部の電圧に応じた電気信号を出力信号線に出力する増幅手段と、前記フローティングデフュージョン部の電圧をリセットするリセット手段とを有して構成された固体撮像装置において、
前記周辺回路部は、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記転送ゲート手段によってフローティングデフュージョン部に転送した際の信号レベルと前記リセット手段によってフローティングデフュージョン部がリセットされた際の信号レベルとをそれぞれ前記転送ゲート手段がオンした状態で取り込み、その差分値に応じた信号を出力する信号処理回路を有し、
前記転送ゲート手段がオンした状態で前記出力信号線に出力される電気信号を前記周辺回路部に設けられた信号処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号を生成する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
A semiconductor substrate is provided with an imaging region unit composed of a plurality of pixels, and a peripheral circuit unit that controls the imaging region unit,
Each pixel in the imaging region section has a photoelectric conversion element that generates a signal charge corresponding to the amount of received light, a transfer gate means that transfers the signal charge generated by the photoelectric conversion element to a floating diffusion section, and the floating diffusion In a solid-state imaging device configured to include an amplifying unit that outputs an electric signal corresponding to the voltage of the fusion unit to an output signal line, and a reset unit that resets the voltage of the floating diffusion unit.
The peripheral circuit unit includes a signal level when the signal charge generated by the photoelectric conversion element is transferred to the floating diffusion unit by the transfer gate unit, and a signal level when the floating diffusion unit is reset by the reset unit. Each having the transfer gate means turned on, and a signal processing circuit for outputting a signal corresponding to the difference value,
An electrical signal output to the output signal line in a state where the transfer gate unit is turned on is captured by a signal processing circuit provided in the peripheral circuit unit, and an imaging signal is generated from the captured signal.
A solid-state imaging device.
前記リセット手段に第1のリセットパルスを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後に転送ゲート手段をオフし、次に、リセット手段に第2のリセットパルスを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。  After the first reset pulse is input to the reset means, the transfer gate means is turned on. In this state, the electric signal output to the output signal line is taken into the signal processing circuit, and then the transfer gate means is turned off. 2. The method according to claim 1, wherein after the second reset pulse is input to the reset means, the transfer gate means is turned on, and an electric signal output to the output signal line in that state is taken into the signal processing circuit. Solid-state imaging device. 前記リセット手段に第1のリセットパルスを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後にリセット手段を活性化し、転送ゲート手段をオフし、次に、リセット手段を不活性化した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項記載の固体撮像装置。After the first reset pulse is input to the reset means, the transfer gate means is turned on, and in this state, the electric signal output to the output signal line is taken into the signal processing circuit, and then the reset means is activated, and the transfer gate 2. The device according to claim 1, wherein after the means is turned off and then the reset means is deactivated, the transfer gate means is turned on, and the electric signal output to the output signal line in that state is taken into the signal processing circuit. The solid-state imaging device according to 1 . 前記リセット手段を不活性化した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後にリセット手段を活性化し、転送ゲート手段をオフし、次に、リセット手段を不活性化した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項記載の固体撮像装置。After deactivating the reset means, the transfer gate means is turned on. In this state, the electric signal output to the output signal line is taken into the signal processing circuit, then the reset means is activated, and the transfer gate means is turned off. , then after inactivation of the reset means to turn on the transfer gate means, according to claim 1, wherein the solid, characterized in that capturing the electric signal output to the output signal line in that state to the signal processing circuit Imaging device. 前記転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後、リセット手段にリセットパルスに入力し、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項記載の固体撮像装置。The transfer gate means is turned on, and the electric signal output to the output signal line in that state is taken into the signal processing circuit, then the reset pulse is input to the reset means, and the electric signal output to the output signal line in that state is output. the solid-state imaging device according to claim 1, wherein the capturing signal to the signal processing circuit. 半導体基板に複数の画素よりなる撮像領域部と、前記撮像領域部を制御する周辺回路部とを設けて構成され、
前記撮像領域部の各画素が、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷をフローティングデフュージョン部に転送する転送ゲート手段と、前記フローティングデフュージョン部の電圧に応じた電気信号を出力信号線に出力する増幅手段と、前記フローティングデフュージョン部の電圧をリセットするリセット手段とを有して構成された固体撮像装置の駆動方法において、
前記周辺回路部は、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を前記転送ゲート手段によってフローティングデフュージョン部に転送した際の信号レベルと前記リセット手段によってフローティングデフュージョン部がリセットされた際の信号レベルとをそれぞれ前記転送ゲート手段がオンした状態で取り込み、その差分値に応じた信号を出力する信号処理回路を有し、
前記転送ゲート手段がオンした状態で前記出力信号線に出力される電気信号を前記周辺回路部に設けられた信号処理回路で取り込み、この取り込んだ信号から撮像信号を生成する、
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
A semiconductor substrate is provided with an imaging region unit composed of a plurality of pixels, and a peripheral circuit unit that controls the imaging region unit,
Each pixel in the imaging region section has a photoelectric conversion element that generates a signal charge corresponding to the amount of received light, a transfer gate means that transfers the signal charge generated by the photoelectric conversion element to a floating diffusion section, and the floating diffusion In a driving method of a solid-state imaging device configured to include an amplifying unit that outputs an electric signal corresponding to the voltage of the fusion unit to an output signal line, and a reset unit that resets the voltage of the floating diffusion unit.
The peripheral circuit unit includes a signal level when the signal charge generated by the photoelectric conversion element is transferred to the floating diffusion unit by the transfer gate unit, and a signal level when the floating diffusion unit is reset by the reset unit. Each having the transfer gate means turned on, and a signal processing circuit for outputting a signal corresponding to the difference value,
An electrical signal output to the output signal line in a state where the transfer gate unit is turned on is captured by a signal processing circuit provided in the peripheral circuit unit, and an imaging signal is generated from the captured signal.
A method for driving a solid-state imaging device.
前記リセット手段に第1のリセットパルスを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後に転送ゲート手段をオフし、次に、リセット手段に第2のリセットパルスを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項記載の固体撮像装置の駆動方法。After the first reset pulse is input to the reset means, the transfer gate means is turned on. In this state, the electrical signal output to the output signal line is taken into the signal processing circuit, and then the transfer gate means is turned off. to, after entering the second reset pulse to the reset means, and turns on the transfer gate means, according to claim 6, wherein the capturing the electric signal output to the output signal line in that state to the signal processing circuit Driving method for a solid-state imaging device. 前記リセット手段に第1のリセットパルスを入力した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後にリセット手段を活性化し、転送ゲート手段をオフし、次に、リセット手段を不活性化した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項記載の固体撮像装置の駆動方法。After the first reset pulse is input to the reset means, the transfer gate means is turned on, and in this state, the electric signal output to the output signal line is taken into the signal processing circuit, and then the reset means is activated, and the transfer gate 2. The device according to claim 1, wherein after the means is turned off and then the reset means is deactivated, the transfer gate means is turned on, and the electric signal output to the output signal line in that state is taken into the signal processing circuit. 6. A driving method of a solid-state imaging device according to 6 . 前記リセット手段を不活性化した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後にリセット手段を活性化し、転送ゲート手段をオフし、次に、リセット手段を不活性化した後、転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項記載の固体撮像装置の駆動方法。After deactivating the reset means, the transfer gate means is turned on. In this state, the electric signal output to the output signal line is taken into the signal processing circuit, then the reset means is activated, and the transfer gate means is turned off. 7. The solid-state signal processing circuit according to claim 6 , wherein after the reset means is deactivated, the transfer gate means is turned on, and an electric signal output to the output signal line in that state is taken into the signal processing circuit. Driving method of imaging apparatus. 前記転送ゲート手段をオンし、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込んだ後、リセット手段にリセットパルスに入力し、その状態で出力信号線に出力される電気信号を前記信号処理回路に取り込むことを特徴とする請求項記載の固体撮像装置の駆動方法。The transfer gate means is turned on, and the electric signal output to the output signal line in that state is taken into the signal processing circuit, then the reset pulse is input to the reset means, and the electric signal output to the output signal line in that state is output. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 6 , wherein a signal is taken into the signal processing circuit.
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