JP4074599B2 - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents
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Description
η=G・△Vsig/△Qsig=G/CFD
となる。ここで、Gは、増幅用トランジスタ132と定電流負荷トランジスタ134とで構成されるソースフォロワ回路のゲインであり、通常1より若干小さい値(0.8〜0.9)を示す。ηを大きくするにはCFDを小さくする必要がある。上記信号電荷蓄積部108の容量CFDは、信号電荷蓄積部108に接続された転送トランジスタ102のドレイン側接合容量と増幅トランジスタ132のゲート容量および基板とのジャンクション容量の総和である。従って、共通の信号電荷蓄積部に接続されるフォトダイオードおよび転送トランジスタの数が多くなるほど、電荷電圧変換率ηは低下するという問題がある。
図1は、本発明の第1実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての2次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。この2次元増幅型固体撮像装置は、複数の画素をマトリックス状に2次元配列している。
△Vsig = A・△Qsig/[ CFD+Cup+(1+A)Cin ] ……… (式1)
となる。ここで、反転増幅アンプのゲインAは、
であり、(式2)中、gmは増幅トランジスタ3のトランスコンダクタンス、ronは増幅トランジスタ3の出力抵抗、ropは定電流負荷トランジスタ4の出力抵抗である。
またアンプゲインAが非常に大きい場合、
△Vsig ≒ △Qsig/Cin ……… (式3)
となって、結局、電荷電圧変換効率ηは
η = △Vsig/△Qsig=1/Cin ……… (式4)
となる。すなわち、出力される信号が信号電荷蓄積部8の容量CFDに依存しないことが示され、縦方向に接続する画素数が増加し、容量CFDが大きくなっても本発明によれば電荷電圧変換効率ηの低下が発生しない。
ソース:電源電圧VDD
ゲート:一定電位VM(あるいは、フォトダイオード1からオーバーフローした信号電荷が蓄積している場合は一定電位VM以下)
ドレイン:一定電位VM以上(垂直信号線)
になっており、増幅トランジスタ3は常時オフ状態となっている。
VB = {(VDD−VM)Cin+VDD×Cgs}/(CFD+Cup+Cin+Cgs)
……… (式5)
ここで、Cgsは増幅トランジスタ3のゲート−ソース間のカップリング容量である。この場合、増幅トランジスタ3の閾値にもよるが、場合によっては増幅トランジスタ3が期間T6の間、完全にオフしない可能性が有る。
VC= {(VDD−VM)Cin+VDD×Cgs}/Cup ……… (式6)
期間T6に増幅トランジスタ3のソースを電源電圧VDDに引き上げた後、制御パルスφC(n)の電位をグランドGNDレベルに戻す駆動方法である。これにより信号電荷蓄積部8の電位が一定電位VMに戻り、前述した問題点が解決される。
図6は、本発明の第2実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての2次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。上記第2実施形態の2次元増幅型固体撮像装置は、リセットトランジスタの接続を除いて第1実施形態と同一の構成をしており、同一構成部は同一参照番号を付して説明を省略する。上記第1実施形態の2次元増幅型固体撮像装置との違いは、リセットトランジスタ5が第1実施形態では増幅トランジスタ3の入出力間に挿入されたが、この第2実施形態では、増幅トランジスタ3の入力部と、一定電位VMが印加された電位部の一例としての遮光用パターン26との間に挿入されている。
ソース:電源電圧VDD
ゲート:一定電位VM
ドレイン:一定電位VM以上(垂直信号線)
になっており、増幅トランジスタ3はやはり常時オフ状態となっている。
図9は、本発明の第3実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての2次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。上記第2実施形態の2次元増幅型固体撮像装置は、リセットトランジスタの接続を除いて第1実施形態と同一の構成をしており、同一構成部は同一参照番号を付して説明を省略する。上記第1実施形態の増幅型固体撮像装置との違いは、リセットトランジスタ5が第1実施形態では増幅トランジスタ3の入出力間に挿入されたが、この第3実施形態では、増幅トランジスタ3の入力側と、制御パルスφC(n)が印加される電位制御線24との間にリセットトランジスタ5が挿入されている。また、増幅トランジスタ3のソース(反転増幅器の接地端子)は常にグランドGNDレベルであり、全画素共通の遮光用パターン27(遮光メタル)などを利用して配線している。
ソース:グランドGND
ゲート:VL
ドレイン:グランドGNDから電源電圧VDDまで変化(垂直信号線)
になっており、増幅トランジスタは常時オフ状態となっている。
図12は、本発明の第4実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての2次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。上記第1実施形態では、垂直k個の光電変換転送部10に共通の信号電荷蓄積部8であったが、この第4実施形態では、水平2個×垂直k個の光電変換転送部10に共通の信号電荷蓄積部8の構成である。このように本発明は、光電変換転送部群が水平方向と垂直方向の組み合わせでも良い。
2…転送トランジスタ
3…増幅トランジスタ
4…定電流負荷トランジスタ
5…リセットトランジスタ
6…キャパシタ
7…昇圧用キャパシタ
8…信号電荷蓄積部
10…光電変換転送部
11…電源側負荷
20…スイッチトキャパシタアンプ部
21…転送トランジスタ駆動信号線
22…リセットトランジスタ駆動信号線
23…スイッチトキャパシタアンプ接地側信号線
24…電位制御線
25…垂直走査回路
26,27…遮光用パターン
31…NMOSトランジスタ
32…PMOSトランジスタ
33…バッファ
Claims (22)
- 光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、
上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、
上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続され、出力側が上記信号線に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたリセットトランジスタとを有し、
上記制御部によって、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項1に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記反転増幅器を構成する上記電源側負荷は、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、
上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、
上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続され、出力側が上記信号線に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入力部と一定電位が印加された電位部との間に接続されたリセットトランジスタとを有し、
上記制御部によって、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項7に記載の増幅型固体撮像装置において
上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項7に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項7に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項7に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項7に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記電位部に印加された上記一定電位は、上記反転増幅器の上記増幅トランジスタと同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から出力されていることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項7に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記一定電位が印加された電位部は、全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターンであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項7に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記反転増幅器を構成する上記電源側負荷は、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、
上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、
上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入力部と電位制御線との間に接続されたリセットトランジスタとを有し、
上記制御部によって、上記リセットトランジスタをオンして上記電位制御線の電位を制御することにより、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の入力部の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項15に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項15に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記電位制御線の電位を制御することにより上記反転増幅器の入力部の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項15に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電圧を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項18に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子と上記電位制御線を接続していることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項15に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記電位制御線に印加される電位は、上記反転増幅器の上記増幅トランジスタと同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から出力されていることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項15に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記反転増幅器の接地端子は、全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターンであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 請求項15に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記反転増幅器を構成する電源側負荷は、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
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