JP4238377B2 - 固体撮像素子およびその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法に関し、特に単位画素ごとに増幅機能を持つＭＯＳ型イメージセンサなどの増幅型固体撮像素子およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の増幅型固体撮像素子として、図１３に示す構成の２次元固体撮像素子が知られている。すなわち、図１３において、フォトダイオード１０１、増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２、リセット用ＭＯＳトランジスタ１０３および垂直選択用ＭＯＳトランジスタ１０４によって単位画素１０５が構成され、リセット用ＭＯＳトランジスタ１０３のゲート電極が垂直リセット線１０８に、垂直選択用ＭＯＳトランジスタ１０４のゲート電極が垂直選択線１０９に、垂直選択用ＭＯＳトランジスタ１０４のソース電極が垂直信号線１１０にそれぞれ接続されている。
【０００３】
また、垂直信号線１１０の一端と水平信号線１１１の間には、水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２が接続されている。そして、行選択をする垂直走査回路１１３から出力される２種類の垂直走査パルスφＶＳｎ，φＶＲｎにより各行ごとに画素の動作が制御され、列選択をする水平走査回路１１４から出力される水平走査パルスφＨｍにより制御される水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２を介して画素信号が水平信号線１１１に出力される。その際、光電変換によってフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷が、増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２によって信号電流に変換されて撮像素子の出力信号として導出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の従来の増幅型２次元固体撮像素子では、各画素を構成する能動素子、主に増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２の特性の画素ごとのバラツキ、特にＭＯＳトランジスタのＶｔｈ（閾値）バラツキがそのまま撮像素子の出力信号に乗ってきてしまう。この特性のバラツキは、画素ごとに固定の値を持つため、画面上に固定パターンノイズ（ＦＰＮ；Fixed Patern Noise) として現れる。この固定パターンノイズを抑圧するためには、デバイスの外部にフレームメモリやラインメモリを用いたノイズ除去回路を設けて画素の特性のバラツキに起因するノイズ成分を除去する必要があり、したがって本固体撮像素子を撮像デバイスとして用いる例えばカメラシステムでは、ノイズ除去回路を外付けとする分だけ規模が大きくなってしまう。
【０００５】
これに対し、固定パターンノイズをデバイスの内部で抑圧できるようにした増幅型固体撮像素子として、図１４に示す構成のものが考えられる。この増幅型固体撮像素子においては、単位画素１０５の構成は図１３と同じであるが、各画素１０５の特性のバラツキに起因する固定パターンノイズを抑圧するための水平出力回路１１５を設け、この水平出力回路１１５で画素１０５の読み出し前後（リセット前後）の信号の差分をとる処理を行うようにしている点が違う。
【０００６】
図１４において、垂直信号線１１０とグランドとの間には、増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２のソースフォロワ動作の負荷として働く負荷用ＭＯＳトランジスタ１１６が接続されている。また、垂直信号線１１０には、一対の信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′の各一方の主電極が接続されている。この一対の信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′の各他方の主電極とグランドとの間には、一対の信号保持用キャパシタ１１８，１１８′がそれぞれ接続されている。
【０００７】
また、一対の信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′の各他方の主電極と一対の水平信号線１１１，１１１′の間には、一対の水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２，１１２′がそれぞれ接続されている。一対の水平信号線１１１，１１１′には、差動アンプ１１９の非反転（＋）入力端および反転（−）入力端がそれぞれ接続されている。
【０００８】
上記構成の増幅型固体撮像素子においては、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号が、信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′を介して信号保持用キャパシタ１１８，１１８′に保持され、水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２，１１２′および水平信号線１１１，１１１′を介して差動アンプ１１９に供給される。そして、差動アンプ１１９において、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号の差分がとられることにより、単位画素ごとの特性のバラツキに起因する固定パターンノイズが除去される。
【０００９】
しかしながら、上記構成の増幅型固体撮像素子では、単位画素ごとの特性のバラツキに起因する固定パターンノイズについては抑圧することはできるものの、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号が別々の信号経路を通って差動アンプ１１９に至ることから、一対の信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′や一対の水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２，１１２′の特性のバラツキが、垂直に相関を持つ縦筋状の固定パターンノイズとして画面上に現れることになる。したがって、この構成の場合にも、縦筋状の固定パターンノイズを抑圧するための補正回路がデバイスの外部に必要となる。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、単位画素ごとの特性のバラツキに起因する固定パターンノイズのみならず、縦筋状の固定パターンノイズをもデバイス内部で抑圧可能な増幅型固体撮像素子およ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】
本発明による固体撮像素子は、
入射光を光電変換しかつ光電変換によって得られた信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
デプレッション型トランジスタで構成され、前記光電変換素子をリセットするリセットスイッチと、
前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を電気信号に変換する増幅素子と、
前記増幅素子からの信号を選択的に出力する選択スイッチと、
デプレッション型ＭＯＳトランジスタからなり、リセットパルスに応答して前記リセットスイッチをオン／オフ制御するリセット選択スイッチと
を有し、前記リセットスイッチによるリセット前の信号とリセット後の信号とを共通の垂直信号線を経由して出力する単位画素と、
前記単位画素から出力されたリセット前の信号とリセット後の信号のそれぞれの差分をとる差分回路とを備え、
前記リセットスイッチは前記光電変換素子と電源線の間に接続され、
前記リセット選択スイッチは前記リセットスイッチのゲート電極と前記リセットパルスが与えられるリセット線の間に接続されている
構成となっている。
【００１２】
また、本発明による駆動方法は、上記構成の固体撮像素子において、単位画素の各々で画素信号を出力するごとに光電変換素子をリセットスイッチによってリセットし、単位画素の各々からリセットスイッチによるリセット前の信号とリセット後の信号とを導出しかつ共通の伝送経路を経由して伝送し、しかる後リセット前の信号とリセット後の信号のそれぞれの差分をとるようにする。
【００１３】
上記構成の固体撮像素子の単位画素の各々において、画素信号を出力するごとに光電変換素子をリセットすることで、各単位画素からはリセット前とリセット後の信号が１画素ごとに順次出力される。このとき、画素の特性のバラツキに起因する固定パターンノイズが、各画素の増幅素子からオフセット成分として発生することから、リセット前とリセット後の信号の差分をとることで、ノイズ成分をキャンセルできる。また、２次元固体撮像素子においては、リセット前とリセット後の信号を垂直信号線から水平信号線へ同一の信号経路を経由して出力することで、垂直に相関を持つ縦筋状のノイズ成分も原理的に発生しない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、２次元固体撮像素子に適用された本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【００１５】
図１において、破線で囲まれた領域が単位画素１１を表している。この単位画素１１は、光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１２と、増幅素子である増幅用ＭＯＳトランジスタ１３と、選択スイッチである選択用ＭＯＳトランジスタ１４と、リセットスイッチであるリセット用ＭＯＳトランジスタ１５と、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６とから構成され、行列状に２次元配置されている。なお、図面上においては、簡略化のため、ｍ列ｎ行目の単位画素１１のみを示している。
【００１６】
この単位画素１１において、フォトダイオード１２は入射光を光電変換しかつ光電変換によって得られた信号電荷を蓄積する機能を持つ。このフォトダイオード１２のカソード電極には、増幅用ＭＯＳトランジスタ１３のゲート電極が接続されている。増幅用ＭＯＳトランジスタ１３のドレイン電極は、電源（ＶＤＤ）線１７に接続されている。増幅用ＭＯＳトランジスタ１３のソース電極と垂直信号線１８の間には、選択用ＭＯＳトランジスタ１４が接続されている。
【００１７】
また、フォトダイオード１２のカソード電極と電源線１７の間には、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５が接続されている。リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極と水平リセット線１９の間には、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６が接続されている。リセット用ＭＯＳトランジスタ１５およびリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６としては、デプレッション型トランジスタが用いられている。このリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のゲート電極は、選択用ＭＯＳトランジスタ１４のゲート電極と共に、垂直選択線２０に接続されている。また、垂直信号線１８と水平信号線２１の間には、水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２が接続されている。
【００１８】
また、行選択のための垂直走査回路２３および列選択のための水平走査回路２４が設けられている。そして、垂直走査回路２３から出力される垂直走査パルスφＶｎが垂直選択線２０に印加され、水平走査回路２４から出力される水平リセットパルスφＨＲｍが水平リセット線１９に、水平走査パルスφＨＳm が水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電極にそれぞれ印加される。すなわち、水平走査回路２４が、水平リセットパルスφＨＲｍを発生するリセット回路を兼ねることにより、回路構成の簡略化を図っている。
【００１９】
水平信号線２１の出力端側には、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号の差分をとる差分回路として、例えば回路構成が簡単な相関二重サンプリング回路（以下、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling)回路と称する）２５が設けられている。このＣＤＳ回路２５の具体的な回路構成およびその回路動作については、後で詳細に説明する。ＣＤＳ回路２５の出力端は、本撮像素子の出力端子２６に接続されている。
【００２０】
次に、上記構成の第１実施形態に係る増幅型固体撮像素子の動作について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。
【００２１】
先ず、光電変換によってフォトダイオード１２に蓄積された信号電荷（電子）は、増幅用ＭＯＳトランジスタ１３によって電気信号に変換される。そして、水平映像期間に入ると、垂直走査回路２３から垂直走査パルスφＶｎが出力され、垂直選択線２０を介して選択用ＭＯＳトランジスタ１４およびリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６の各ゲート電極に印加される。これにより、両ＭＯＳトランジスタ１４，１６が導通状態になり、選択用ＭＯＳトランジスタ１４を通して信号電流が垂直信号線１８に現れる。
【００２２】
この水平映像期間中に、水平走査回路２４から水平走査パルスφＨＳｍが出力され、水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電極に印加されることによって当該ＭＯＳトランジスタ２２が導通状態になる。これにより、垂直信号線２０に現れた信号電流は、水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２を通して水平信号線２１に流れ、この水平信号線２１を経てＣＤＳ回路２５に供給される。
【００２３】
その後すぐに、信号電流を出力したその同一画素に対し、水平走査回路２４から水平リセットパルスφＨＲｍが水平リセット線１９に対して出力される。このとき、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６が導通状態にあることから、水平リセットパルスφＨＲｍはこのリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６を通してリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加される。これにより、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５が導通状態になるため、フォトダイオード１２はＶＤＤレベルにリセットされる。
【００２４】
この水平リセットパルスφＨＲｍは、図２のタイミングチャートから明らかなように、水平走査パルスφＨＳｍの発生期間のほぼ中間で発生される。したがって、水平リセットパルスφＨＲｍの消滅後、即ちリセット後のフォトダイオード１２の電荷（ノイズ成分）が増幅用ＭＯＳトランジスタ１３で電流に変換され、そのリセット電流が導通状態にある選択用ＭＯＳトランジスタ１４、垂直信号線１８および導通状態にある水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２を通して水平信号線２１に流れ、この水平信号線２１を経てＣＤＳ回路２５に供給される。
【００２５】
以上の一連の動作により、１つの画素１１について信号出力→ＰＤリセット→ノイズ出力という形で信号出力とリセット出力が順次得られる。これを垂直走査回路２３で選択された画素行に対して、水平走査回路２４によって順次画素選択を行うことにより、ｍ列ｎ行（信号出力→ＰＤリセット→ノイズ出力）、ｍ＋１列ｎ行（信号出力→ＰＤリセット→ノイズ出力）、……という順番で水平信号線２１に出力され、ＣＤＳ回路２５に供給される。そして、このＣＤＳ回路２５において、リセット前の信号出力とリセット後のノイズ出力を使って相関二重サンプリングを行うことにより、主に増幅用ＭＯＳトランジスタ１３の特性のバラツキ成分を除去することができる。
【００２６】
図３に、ＣＤＳ回路２５の具体的な回路構成の一例を示す。このＣＤＳ回路２５は、入力端子３１に入力端が接続された電流電圧変換回路３２と、この電流電圧変換回路３２の出力端に一端が接続されたクランプキャパシタ３３と、このクランプキャパシタ３３の他端に一方の主電極が接続されたクランプＭＯＳトランジスタ３４と、クランプキャパシタ３３の他端に一方の主電極が接続されたサンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５と、このサンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５の他方の主電極とグランドとの間に接続されたサンプルホールドキャパシタ３６と、サンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５の他方の主電極と出力端子３８との間に接続されたバッファアンプ３７とから構成されている。
【００２７】
このＣＤＳ回路２５において、電流電圧変換回路３２は、入力端子３１を介して供給される信号電流を反転（−）入力とし、所定のバイアス電圧Ｖｂを非反転（＋）入力とする差動アンプ３９と、この差動アンプ３９の反転入力端と出力端間に接続された帰還抵抗４０とからなり、信号電流を信号電圧に変換する。クランプＭＯＳトランジスタ３４の他方の主電極にはクランプ電圧Ｖｃｌが、そのゲート電極にはクランプパルスφＣＬがそれぞれ印加される。また、サンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５のゲート電極には、サンプルホールドパルスφＳＨが印加される。
【００２８】
上記構成のＣＤＳ回路２５を差分回路として用い、リセット前の信号出力とリセット後のノイズ出力を使って相関二重サンプリングを行うことにより、増幅用ＭＯＳトランジスタ１３の特性の画素ごとのバラツキ、特にＭＯＳトランジスタのＶｔｈバラツキを除去することができる。
【００２９】
上述したように、各単位画素１１のフォトダイオード１２のリセットを、１画素の信号が出力されるごとに行うようにするとともに、リセット前の信号出力とリセット後のノイズ出力を使って相関二重サンプリングを行うようにしたことにより、画素の特性のバラツキに起因する固定パターンノイズおよび垂直信号線１８に接続されたスイッチ素子（水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２）の特性のバラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズを抑圧できる。
【００３０】
すなわち、画素の特性のバラツキに起因する固定パターンノイズについては、単位画素１１の増幅用ＭＯＳトランジスタ１３からオフセット成分として発生するが、原理的に、画素リセット前とリセット後の信号を相関二重サンプリングすることによって除去できる。また、垂直信号線１８に接続されたスイッチ素子の特性のバラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズについては、画素リセット前とリセット後の信号が同一の信号経路を通る構成となっており、別々のスイッチ素子（水平選択用ＭＯＳトランジスタなど）を通ることがないため、これも原理的に発生することがない。
【００３１】
ここで、フォトダイオード１２のリセット動作についてさらに詳しく述べる。なお、図１から明らかなように、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５およびリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６として、デプレッション型トランジスタが用いられている。
【００３２】
フォトダイオード１２をＶＤＤレベルにリセットする際に、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６にエンハンスメント型トランジスタを使った場合には、垂直走査パルスφＶｎによって選択された状態において、水平リセットパルスφＨＲｍがリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のドレイン電極に印加されても、図４（Ａ）に示すように、飽和領域の動作となるために、ソース側の電位はドレイン側の電位よりも落ちてしまうことになる。
【００３３】
これに対し、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６としてデプレッション型トランジスタを使うことにより、図４（Ｂ）に示すように、線型領域での動作となり、ソース側の電位がほぼドレイン側の電位まで達する。同様に、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５にもエンハンスメント型トランジスタを用いると、飽和領域でのリセット動作となり、リセットの時間が短いと電荷の取り残しが生じ、残像の原因となる。これに対し、デプレッション型トランジスタを用いて線型領域でリセットすることにより、電荷の取り残しの無い、完全なリセット動作が可能となる。
【００３４】
次に、上記構成の第１実施形態に係る増幅型固体撮像素子の動作について、図２のタイミングチャートに基づいて図５のポテンシャル図を用いて説明する。
【００３５】
選択画素の信号読み出し時（図２のタイミングａ）には、垂直走査パルスφＶｎによってリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６が導通状態となり、ソース側の電位である水平リセットパルスφＨＲｍの“Ｌ”レベルの電位がリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加される。このとき、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５は導通状態にならないので、フォトダイオード１２に蓄積された信号電荷が増幅用ＭＯＳトランジスタ１３で信号電流に変換される。
【００３６】
選択画素のリセット時（図２のタイミングｂ）には、“Ｈ”レベルの水平リセットパルスφＨＲｍが導通状態のリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６を経てリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加され、これによりリセット用ＭＯＳトランジスタ１５が導通状態となるため、フォトダイオード１２がＶＤＤレベルにリニア領域で完全リセットされる。
【００３７】
選択画素のノイズレベル読み出し時（図２のタイミングｃ）には、水平リセットパルスφＨＲｍが“Ｌ”レベルの状態にあり、この“Ｌ”レベルが導通状態のリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６を経てリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加されることによってリセット用ＭＯＳトランジスタ１５が非導通状態になる。これにより、リセットのレベルが増幅用ＭＯＳトランジスタ１３でノイズ電流に変換される。また、この時点より次のフレーム蓄積が開始される。
【００３８】
信号電荷の蓄積時（図２のタイミングｄ）、即ち他の行の他の列の読み出し時には、垂直走査パルスφＶｍが“Ｌ”レベルに遷移するが、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６がデプレッション型であるために、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極はフローティング状態にはならず、“Ｌ”レベルに保たれる。
【００３９】
非選択画素のリセット時（図２のタイミングｅ）には、“Ｈ”レベルの水平リセットパルスφＨＲｍによりリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のドレインがＶＤＤレベルになると、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のゲート電極の“Ｌ”レベルのポテンシャルに応じた電位が、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加される。なお、フォトダイオード１２は、デプレッションのリセットゲートがそのまま横型オーバーフローバリアになっていて、このレベルを超える電荷は電源へと捨てられるようになっているが、この時点でオーバーフローバリアが下がり、ここでオーバーフローレベルが決まる。
【００４０】
ところで、単位画素の構成を考えた場合に、図６又は図７に示すように、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５とリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６を、フォトダイオード１２のカソード電極と電源線１７の間に直列に接続し、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に水平リセットパルスφＨＲｍ又は垂直走査パルスφＶｎを、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のゲート電極に垂直走査パルスφＶｎ又は水平リセットパルスφＨＲｍを印加する構成が一般的に考えられる。
【００４１】
しかしながら、これらの構成の場合には、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５とリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６によるフィードスルーが、信号レベルを読み出す際とノイズレベルを読み出す際で異なってしまい、これが画素ごとのバラツキの原因となる。その理由について、図６の構成に対応した図８のポテンシャル図を用いて以下に説明する。
【００４２】
先ず、垂直走査パルスφＶｎの発生によって画素が選択され、水平リセットパルスφＨＲｍの発生によってリセットされているときを状態１．とする。この状態１．では、フォトダイオード１２はＶＤＤレベルにリセットされている。そして、状態２．では、水平リセットパルスφＨＲｍが消滅し、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５がオフする際のフィードスルーの影響で、フォトダイオード１２のポテンシャルはＶＤＤレベルよりも僅かに浅くなる。この状態でノイズレベルの読み出しとなる。
【００４３】
状態３．では、垂直走査パルスφＶｎが消滅することで非選択状態となる。リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６がオフする際のフィードスルーの影響で、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５とリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６の間の拡散領域のポテンシャルはＶＤＤレベルよりも僅かに浅くなる。
【００４４】
状態４．は電荷の蓄積状態であり、フォトダイオード１２のポテンシャルが蓄積された電荷により浅くなっていく。状態５．は、非選択のリセット状態、即ち他の行の同じ列がリセットされている状態であり、水平リセットパルスφＨＲｍの発生により、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５が導通状態となり、信号電荷とリセットゲートのフィードスルーおよびリセット選択ゲートのフィードスルーが合わされる。
【００４５】
状態６．で水平リセットパルスφＨＲｍが消滅するときに、さらにフォトダイオード１２にリセットゲートのフィードスルーが加わる。他の行を読み出している期間中、状態５．状態６．を繰り返す。状態７．で、垂直走査パルスφＶｎの発生により、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６が導通状態となり、この状態で信号レベルが読み出される。この後、状態１．に戻る。
【００４６】
図８のポテンシャル図において、状態２．と状態７．の比較から明らかなように、状態７．の信号レベルの読み出し時と、状態２．のノイズレベルの読み出し時では、フォトダイオード１２に蓄えられているフィードスルーによる電荷の量が異なる。フィードスルーの量は、Ｖｔｈバラツキと同様に個々のトランジスタによって異なるので、信号レベルの読み出しとノイズレベルの読み出しのフィードスルーの違いは、画素バラツキを抑圧するためのＣＤＳ回路２５ではキャンセルすることができず、そのまま画素バラツキとして残ってしまう。
【００４７】
リセット用ＭＯＳトランジスタ１５とリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６の接続関係を逆にした図７の構成の場合にも、図９のポテンシャル図から明らかなように、図６の構成の場合と同様のことが言える。
【００４８】
これに対し、本実施形態においては、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のソース電極を接続し、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のドレイン電極、ソース電極を介してリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に水平リセットパルスφＨＲｍを印加する構成としたことで、ノイズ読み出し時、信号読み出し時のいずれにおいても、リセット選択ゲートによるフィードスルーの影響がないので、各画素ごとのリセットゲートによるフィードスルーのバラツキは後段のＣＤＳ回路２５で抑圧することができる。
【００４９】
図１０は、１次元固体撮像素子に適用された本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【００５０】
図１０において、破線で囲まれた領域が単位画素５１を表している。この単位画素５１は、光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）５２と、増幅素子である増幅用ＭＯＳトランジスタ５３と、選択スイッチである選択用ＭＯＳトランジスタ５４と、リセットスイッチであるリセット用ＭＯＳトランジスタ５５とから構成され、直線状に１次元配置されている。
【００５１】
この単位画素５１において、フォトダイオード５２は入射光を光電変換しかつ光電変換によって得られた信号電荷を蓄積する機能を持つ。このフォトダイオード５２のカソード電極には、増幅用ＭＯＳトランジスタ５３のゲート電極が接続されている。増幅用ＭＯＳトランジスタ５３のドレイン電極は、電源（ＶＤＤ）線５６に接続されている。
【００５２】
増幅用ＭＯＳトランジスタ５３のソース電極と信号線５７の間には、選択用ＭＯＳトランジスタ５４が接続されている。また、フォトダイオード５２のカソード電極と電源線５６の間には、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５が接続されている。このリセット用ＭＯＳトランジスタ５５としては、デプレッション型トランジスタが用いられている。
【００５３】
また、１次元配列された単位画素５１を順に選択するための走査回路５８が設けられている。そして、この走査回路５８から出力される走査パルスφＨＳｍが選択用ＭＯＳトランジスタ５４のゲート電極に、リセットパルスφＨＲｍがリセット用ＭＯＳトランジスタ５５のゲート電極にそれぞれそれぞれ印加される。すなわち、走査回路５８が、リセットパルスφＨＲｍを発生するリセット回路を兼ねることにより、回路構成の簡略化を図っている。
【００５４】
信号線５７の出力端側には、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号の差分をとる差分回路として、例えば回路構成が簡単なＣＤＳ回路５９が設けられている。このＣＤＳ回路５９としては、先の実施形態の場合と同様に、図３に示す回路構成のものが用いられる。
【００５５】
次に、上記構成の第２実施形態に係る増幅型固体撮像素子の動作について、図１１のタイミングチャートを用いて説明する。
【００５６】
先ず、光電変換によってフォトダイオード５２に蓄積された信号電荷（電子）は、増幅用ＭＯＳトランジスタ５３によって電荷信号に変換される。そして、走査回路５８から走査パルスφＨＳｍが出力されると、選択用ＭＯＳトランジスタ５４が導通状態になり、この選択用ＭＯＳトランジスタ５４を通して信号電流が信号線５７を経てＣＤＳ回路５９に供給される。
【００５７】
その後すぐに、信号電流を出力した同一画素に対し、走査回路５８からリセットパルスφＨＲｍが出力され、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５のゲート電極に印加される。これにより、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５が導通状態となるため、フォトダイオード５２はＶＤＤレベルにリセットされる。
【００５８】
このリセットパルスφＨＲｍは、図１１のタイミングチャートから明らかなように、走査パルスφＨＳｍの発生期間（“Ｈ”レベルの期間）内で発生される。したがって、リセットパルスφＨＲｍの消滅後、即ちリセット後のフォトダイオード５２の電荷（ノイズ成分）が増幅用ＭＯＳトランジスタ５３で電流に変換され、そのリセット電流が導通状態にある選択用ＭＯＳトランジスタ５４を通して信号線５７に流れ、この信号線５７を経てＣＤＳ回路５９に供給される。
【００５９】
以上の一連の動作により、１つの画素５１について信号出力→ＰＤリセット→ノイズ出力という形で信号出力とリセット出力が順次得られ、ＣＤＳ回路５９に供給される。そして、ＣＤＳ回路５９において、リセット前の信号出力とリセット後のノイズ出力を使って相関二重サンプリングを行うことにより、主に増幅用ＭＯＳトランジスタ５３の特性のバラツキ成分を抑圧することができる。
【００６０】
ここで、フォトダイオード５２のリセット動作についてさらに詳しく述べる。なお、図１０から明らかなように、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５として、デプレッション型トランジスタが用いられている。
【００６１】
フォトダイオード５２をＶＤＤレベルにリセットする際に、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５にエンハンスメント型トランジスタを使った場合には、リセットパルスφＨＲｍによって選択された状態でリセット用ＭＯＳトランジスタ５５のドレイン電極に電源ＶＤＤが印加されても、図４（Ａ）に示すように、飽和領域の動作となるため、ソース側の電位はドレイン側の電位よりも落ちてしまい、リセットの時間が短いと電荷の取り残しが生じ、残像の原因となる。
【００６２】
これに対して、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５としてデプレッション型トランジスタを使うことにより、図４（Ｂ）に示すように、線型領域での動作となり、ソース側の電位がほぼドレイン側の電位まで達するため、電荷の取り残しの無い、完全なリセット動作が可能となる。
【００６３】
続いて、上記構成の第２実施形態に係る増幅型固体撮像素子の動作について、図１１のタイミングチャートに基づいて図１２のポテンシャル図を用いて説明する。
【００６４】
信号読み出し時（図１１のタイミングａ）には、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５は導通状態にはならないので、フォトダイオード５２に蓄積された信号電荷が増幅用ＭＯＳトランジスタ５３で信号電流に変換される。
【００６５】
リセット時（図１１のタイミングｂ）には、“Ｈ”レベルのリセットパルスφＨＲｍがリセット用ＭＯＳトランジスタ５５のゲート電極に印加され、これによりリセット用ＭＯＳトランジスタ５５が導通状態となるため、フォトダイオード５２がＶＤＤレベルにリニア領域で完全リセットされる。
【００６６】
ノイズレベル読み出し時（図１１のタイミングｃ）には、リセットパルスφＨＲｍが“Ｌ”レベルの状態にあり、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５が非導通状態になる。これにより、リセットのレベルが増幅用ＭＯＳトランジスタ５３でノイズ電流に変換される。また、この時点（図１１のタイミングｄ）より次のフレーム蓄積が開始される。
【００６７】
なお、フォトダイオード５２は、デプレッションのリセットゲートがそのまま横型オーバーフローバリアになっていて、このレベルを超える電荷は電源へと捨てられるようになっている。オーバーフローレベルは、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５のゲート電位の“Ｌ”レベルのポテンシャルである。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、単位画素ごとに増幅機能を持つ固体撮像素子において、単位画素の各々で画素信号を出力するごとに光電変換素子を完全リセットする構成としたことにより、各画素より信号成分とノイズ成分を順次出力することができるので、リセット前後の差分をとることによって固定パターンノイズを抑圧することができる。また、各画素を完全リセットしているので残像の発生もなく、さらに２次元固体撮像素子においては、信号成分とノイズ成分が垂直信号線から水平信号線へ同一の経路を経由して出力されるので、縦筋状の固定パターンノイズの発生も抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】第１実施形態の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図３】ＣＤＳ回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図４】エンハンスメント型ＭＯＳトランジスタ（Ａ）とデプレッション型ＭＯＳトランジスタ（Ｂ）のＩｄ−Ｖｄ特性図である。
【図５】第１実施形態に係るリセット部の動作説明のためのポテンシャル図である。
【図６】単位画素の他の構成例を示す回路図である。
【図７】単位画素のさらに他の構成例を示す回路図である。
【図８】図５の構成に対応したポテンシャル図である。
【図９】図６の構成に対応したポテンシャル図である。
【図１０】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図１１】第２実施形態の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図１２】第２実施形態に係るリセット部の動作説明のためのポテンシャル図である。
【図１３】従来例を示す構成図である。
【図１４】課題を説明するための構成図である。
【符号の説明】
１１，５１…単位画素、１２，５２…フォトダイオード（光電変換素子）、１３，５３…増幅用ＭＯＳトランジスタ、１４，５４…選択用ＭＯＳトランジスタ、１５，５５…リセット用ＭＯＳトランジスタ、１６…リセット選択用ＭＯＳトランジスタ、１７，５６…電源（ＶＤＤ）線、１８…垂直信号線、１９…水平リセット線、２０…垂直選択線、２１…水平信号線、２２…水平選択用ＭＯＳトランジスタ、２３…垂直走査回路、２４…水平走査回路、２５，５９…ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路、５７…信号線、５８…走査回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法に関し、特に単位画素ごとに増幅機能を持つＭＯＳ型イメージセンサなどの増幅型固体撮像素子およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の増幅型固体撮像素子として、図１３に示す構成の２次元固体撮像素子が知られている。すなわち、図１３において、フォトダイオード１０１、増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２、リセット用ＭＯＳトランジスタ１０３および垂直選択用ＭＯＳトランジスタ１０４によって単位画素１０５が構成され、リセット用ＭＯＳトランジスタ１０３のゲート電極が垂直リセット線１０８に、垂直選択用ＭＯＳトランジスタ１０４のゲート電極が垂直選択線１０９に、垂直選択用ＭＯＳトランジスタ１０４のソース電極が垂直信号線１１０にそれぞれ接続されている。
【０００３】
また、垂直信号線１１０の一端と水平信号線１１１の間には、水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２が接続されている。そして、行選択をする垂直走査回路１１３から出力される２種類の垂直走査パルスφＶＳｎ，φＶＲｎにより各行ごとに画素の動作が制御され、列選択をする水平走査回路１１４から出力される水平走査パルスφＨｍにより制御される水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２を介して画素信号が水平信号線１１１に出力される。その際、光電変換によってフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷が、増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２によって信号電流に変換されて撮像素子の出力信号として導出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の従来の増幅型２次元固体撮像素子では、各画素を構成する能動素子、主に増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２の特性の画素ごとのバラツキ、特にＭＯＳトランジスタのＶｔｈ（閾値）バラツキがそのまま撮像素子の出力信号に乗ってきてしまう。この特性のバラツキは、画素ごとに固定の値を持つため、画面上に固定パターンノイズ（ＦＰＮ；Fixed Patern Noise) として現れる。この固定パターンノイズを抑圧するためには、デバイスの外部にフレームメモリやラインメモリを用いたノイズ除去回路を設けて画素の特性のバラツキに起因するノイズ成分を除去する必要があり、したがって本固体撮像素子を撮像デバイスとして用いる例えばカメラシステムでは、ノイズ除去回路を外付けとする分だけ規模が大きくなってしまう。
【０００５】
これに対し、固定パターンノイズをデバイスの内部で抑圧できるようにした増幅型固体撮像素子として、図１４に示す構成のものが考えられる。この増幅型固体撮像素子においては、単位画素１０５の構成は図１３と同じであるが、各画素１０５の特性のバラツキに起因する固定パターンノイズを抑圧するための水平出力回路１１５を設け、この水平出力回路１１５で画素１０５の読み出し前後（リセット前後）の信号の差分をとる処理を行うようにしている点が違う。
【０００６】
図１４において、垂直信号線１１０とグランドとの間には、増幅用ＭＯＳトランジスタ１０２のソースフォロワ動作の負荷として働く負荷用ＭＯＳトランジスタ１１６が接続されている。また、垂直信号線１１０には、一対の信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′の各一方の主電極が接続されている。この一対の信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′の各他方の主電極とグランドとの間には、一対の信号保持用キャパシタ１１８，１１８′がそれぞれ接続されている。
【０００７】
また、一対の信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′の各他方の主電極と一対の水平信号線１１１，１１１′の間には、一対の水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２，１１２′がそれぞれ接続されている。一対の水平信号線１１１，１１１′には、差動アンプ１１９の非反転（＋）入力端および反転（−）入力端がそれぞれ接続されている。
【０００８】
上記構成の増幅型固体撮像素子においては、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号が、信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′を介して信号保持用キャパシタ１１８，１１８′に保持され、水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２，１１２′および水平信号線１１１，１１１′を介して差動アンプ１１９に供給される。そして、差動アンプ１１９において、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号の差分がとられることにより、単位画素ごとの特性のバラツキに起因する固定パターンノイズが除去される。
【０００９】
しかしながら、上記構成の増幅型固体撮像素子では、単位画素ごとの特性のバラツキに起因する固定パターンノイズについては抑圧することはできるものの、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号が別々の信号経路を通って差動アンプ１１９に至ることから、一対の信号スイッチ用ＭＯＳトランジスタ１１７，１１７′や一対の水平選択用ＭＯＳトランジスタ１１２，１１２′の特性のバラツキが、垂直に相関を持つ縦筋状の固定パターンノイズとして画面上に現れることになる。したがって、この構成の場合にも、縦筋状の固定パターンノイズを抑圧するための補正回路がデバイスの外部に必要となる。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、単位画素ごとの特性のバラツキに起因する固定パターンノイズのみならず、縦筋状の固定パターンノイズをもデバイス内部で抑圧可能な増幅型固体撮像素子およ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】
本発明による固体撮像素子は、
入射光を光電変換しかつ光電変換によって得られた信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
デプレッション型トランジスタで構成され、前記光電変換素子をリセットするリセットスイッチと、
前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を電気信号に変換する増幅素子と、
前記増幅素子からの信号を選択的に出力する選択スイッチと、
デプレッション型ＭＯＳトランジスタからなり、リセットパルスに応答して前記リセットスイッチをオン／オフ制御するリセット選択スイッチと
を有し、前記リセットスイッチによるリセット前の信号とリセット後の信号とを共通の垂直信号線を経由して出力する単位画素と、
前記単位画素から出力されたリセット前の信号とリセット後の信号のそれぞれの差分をとる差分回路とを備え、
前記リセットスイッチは前記光電変換素子と電源線の間に接続され、
前記リセット選択スイッチは前記リセットスイッチのゲート電極と前記リセットパルスが与えられるリセット線の間に接続されている
構成となっている。
【００１２】
また、本発明による駆動方法は、上記構成の固体撮像素子において、単位画素の各々で画素信号を出力するごとに光電変換素子をリセットスイッチによってリセットし、単位画素の各々からリセットスイッチによるリセット前の信号とリセット後の信号とを導出しかつ共通の伝送経路を経由して伝送し、しかる後リセット前の信号とリセット後の信号のそれぞれの差分をとるようにする。
【００１３】
上記構成の固体撮像素子の単位画素の各々において、画素信号を出力するごとに光電変換素子をリセットすることで、各単位画素からはリセット前とリセット後の信号が１画素ごとに順次出力される。このとき、画素の特性のバラツキに起因する固定パターンノイズが、各画素の増幅素子からオフセット成分として発生することから、リセット前とリセット後の信号の差分をとることで、ノイズ成分をキャンセルできる。また、２次元固体撮像素子においては、リセット前とリセット後の信号を垂直信号線から水平信号線へ同一の信号経路を経由して出力することで、垂直に相関を持つ縦筋状のノイズ成分も原理的に発生しない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、２次元固体撮像素子に適用された本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【００１５】
図１において、破線で囲まれた領域が単位画素１１を表している。この単位画素１１は、光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１２と、増幅素子である増幅用ＭＯＳトランジスタ１３と、選択スイッチである選択用ＭＯＳトランジスタ１４と、リセットスイッチであるリセット用ＭＯＳトランジスタ１５と、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６とから構成され、行列状に２次元配置されている。なお、図面上においては、簡略化のため、ｍ列ｎ行目の単位画素１１のみを示している。
【００１６】
この単位画素１１において、フォトダイオード１２は入射光を光電変換しかつ光電変換によって得られた信号電荷を蓄積する機能を持つ。このフォトダイオード１２のカソード電極には、増幅用ＭＯＳトランジスタ１３のゲート電極が接続されている。増幅用ＭＯＳトランジスタ１３のドレイン電極は、電源（ＶＤＤ）線１７に接続されている。増幅用ＭＯＳトランジスタ１３のソース電極と垂直信号線１８の間には、選択用ＭＯＳトランジスタ１４が接続されている。
【００１７】
また、フォトダイオード１２のカソード電極と電源線１７の間には、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５が接続されている。リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極と水平リセット線１９の間には、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６が接続されている。リセット用ＭＯＳトランジスタ１５およびリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６としては、デプレッション型トランジスタが用いられている。このリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のゲート電極は、選択用ＭＯＳトランジスタ１４のゲート電極と共に、垂直選択線２０に接続されている。また、垂直信号線１８と水平信号線２１の間には、水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２が接続されている。
【００１８】
また、行選択のための垂直走査回路２３および列選択のための水平走査回路２４が設けられている。そして、垂直走査回路２３から出力される垂直走査パルスφＶｎが垂直選択線２０に印加され、水平走査回路２４から出力される水平リセットパルスφＨＲｍが水平リセット線１９に、水平走査パルスφＨＳm が水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電極にそれぞれ印加される。すなわち、水平走査回路２４が、水平リセットパルスφＨＲｍを発生するリセット回路を兼ねることにより、回路構成の簡略化を図っている。
【００１９】
水平信号線２１の出力端側には、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号の差分をとる差分回路として、例えば回路構成が簡単な相関二重サンプリング回路（以下、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling)回路と称する）２５が設けられている。このＣＤＳ回路２５の具体的な回路構成およびその回路動作については、後で詳細に説明する。ＣＤＳ回路２５の出力端は、本撮像素子の出力端子２６に接続されている。
【００２０】
次に、上記構成の第１実施形態に係る増幅型固体撮像素子の動作について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。
【００２１】
先ず、光電変換によってフォトダイオード１２に蓄積された信号電荷（電子）は、増幅用ＭＯＳトランジスタ１３によって電気信号に変換される。そして、水平映像期間に入ると、垂直走査回路２３から垂直走査パルスφＶｎが出力され、垂直選択線２０を介して選択用ＭＯＳトランジスタ１４およびリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６の各ゲート電極に印加される。これにより、両ＭＯＳトランジスタ１４，１６が導通状態になり、選択用ＭＯＳトランジスタ１４を通して信号電流が垂直信号線１８に現れる。
【００２２】
この水平映像期間中に、水平走査回路２４から水平走査パルスφＨＳｍが出力され、水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２のゲート電極に印加されることによって当該ＭＯＳトランジスタ２２が導通状態になる。これにより、垂直信号線２０に現れた信号電流は、水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２を通して水平信号線２１に流れ、この水平信号線２１を経てＣＤＳ回路２５に供給される。
【００２３】
その後すぐに、信号電流を出力したその同一画素に対し、水平走査回路２４から水平リセットパルスφＨＲｍが水平リセット線１９に対して出力される。このとき、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６が導通状態にあることから、水平リセットパルスφＨＲｍはこのリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６を通してリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加される。これにより、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５が導通状態になるため、フォトダイオード１２はＶＤＤレベルにリセットされる。
【００２４】
この水平リセットパルスφＨＲｍは、図２のタイミングチャートから明らかなように、水平走査パルスφＨＳｍの発生期間のほぼ中間で発生される。したがって、水平リセットパルスφＨＲｍの消滅後、即ちリセット後のフォトダイオード１２の電荷（ノイズ成分）が増幅用ＭＯＳトランジスタ１３で電流に変換され、そのリセット電流が導通状態にある選択用ＭＯＳトランジスタ１４、垂直信号線１８および導通状態にある水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２を通して水平信号線２１に流れ、この水平信号線２１を経てＣＤＳ回路２５に供給される。
【００２５】
以上の一連の動作により、１つの画素１１について信号出力→ＰＤリセット→ノイズ出力という形で信号出力とリセット出力が順次得られる。これを垂直走査回路２３で選択された画素行に対して、水平走査回路２４によって順次画素選択を行うことにより、ｍ列ｎ行（信号出力→ＰＤリセット→ノイズ出力）、ｍ＋１列ｎ行（信号出力→ＰＤリセット→ノイズ出力）、……という順番で水平信号線２１に出力され、ＣＤＳ回路２５に供給される。そして、このＣＤＳ回路２５において、リセット前の信号出力とリセット後のノイズ出力を使って相関二重サンプリングを行うことにより、主に増幅用ＭＯＳトランジスタ１３の特性のバラツキ成分を除去することができる。
【００２６】
図３に、ＣＤＳ回路２５の具体的な回路構成の一例を示す。このＣＤＳ回路２５は、入力端子３１に入力端が接続された電流電圧変換回路３２と、この電流電圧変換回路３２の出力端に一端が接続されたクランプキャパシタ３３と、このクランプキャパシタ３３の他端に一方の主電極が接続されたクランプＭＯＳトランジスタ３４と、クランプキャパシタ３３の他端に一方の主電極が接続されたサンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５と、このサンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５の他方の主電極とグランドとの間に接続されたサンプルホールドキャパシタ３６と、サンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５の他方の主電極と出力端子３８との間に接続されたバッファアンプ３７とから構成されている。
【００２７】
このＣＤＳ回路２５において、電流電圧変換回路３２は、入力端子３１を介して供給される信号電流を反転（−）入力とし、所定のバイアス電圧Ｖｂを非反転（＋）入力とする差動アンプ３９と、この差動アンプ３９の反転入力端と出力端間に接続された帰還抵抗４０とからなり、信号電流を信号電圧に変換する。クランプＭＯＳトランジスタ３４の他方の主電極にはクランプ電圧Ｖｃｌが、そのゲート電極にはクランプパルスφＣＬがそれぞれ印加される。また、サンプルホールドＭＯＳトランジスタ３５のゲート電極には、サンプルホールドパルスφＳＨが印加される。
【００２８】
上記構成のＣＤＳ回路２５を差分回路として用い、リセット前の信号出力とリセット後のノイズ出力を使って相関二重サンプリングを行うことにより、増幅用ＭＯＳトランジスタ１３の特性の画素ごとのバラツキ、特にＭＯＳトランジスタのＶｔｈバラツキを除去することができる。
【００２９】
上述したように、各単位画素１１のフォトダイオード１２のリセットを、１画素の信号が出力されるごとに行うようにするとともに、リセット前の信号出力とリセット後のノイズ出力を使って相関二重サンプリングを行うようにしたことにより、画素の特性のバラツキに起因する固定パターンノイズおよび垂直信号線１８に接続されたスイッチ素子（水平選択用ＭＯＳトランジスタ２２）の特性のバラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズを抑圧できる。
【００３０】
すなわち、画素の特性のバラツキに起因する固定パターンノイズについては、単位画素１１の増幅用ＭＯＳトランジスタ１３からオフセット成分として発生するが、原理的に、画素リセット前とリセット後の信号を相関二重サンプリングすることによって除去できる。また、垂直信号線１８に接続されたスイッチ素子の特性のバラツキに起因する縦筋状の固定パターンノイズについては、画素リセット前とリセット後の信号が同一の信号経路を通る構成となっており、別々のスイッチ素子（水平選択用ＭＯＳトランジスタなど）を通ることがないため、これも原理的に発生することがない。
【００３１】
ここで、フォトダイオード１２のリセット動作についてさらに詳しく述べる。なお、図１から明らかなように、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５およびリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６として、デプレッション型トランジスタが用いられている。
【００３２】
フォトダイオード１２をＶＤＤレベルにリセットする際に、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６にエンハンスメント型トランジスタを使った場合には、垂直走査パルスφＶｎによって選択された状態において、水平リセットパルスφＨＲｍがリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のドレイン電極に印加されても、図４（Ａ）に示すように、飽和領域の動作となるために、ソース側の電位はドレイン側の電位よりも落ちてしまうことになる。
【００３３】
これに対し、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６としてデプレッション型トランジスタを使うことにより、図４（Ｂ）に示すように、線型領域での動作となり、ソース側の電位がほぼドレイン側の電位まで達する。同様に、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５にもエンハンスメント型トランジスタを用いると、飽和領域でのリセット動作となり、リセットの時間が短いと電荷の取り残しが生じ、残像の原因となる。これに対し、デプレッション型トランジスタを用いて線型領域でリセットすることにより、電荷の取り残しの無い、完全なリセット動作が可能となる。
【００３４】
次に、上記構成の第１実施形態に係る増幅型固体撮像素子の動作について、図２のタイミングチャートに基づいて図５のポテンシャル図を用いて説明する。
【００３５】
選択画素の信号読み出し時（図２のタイミングａ）には、垂直走査パルスφＶｎによってリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６が導通状態となり、ソース側の電位である水平リセットパルスφＨＲｍの“Ｌ”レベルの電位がリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加される。このとき、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５は導通状態にならないので、フォトダイオード１２に蓄積された信号電荷が増幅用ＭＯＳトランジスタ１３で信号電流に変換される。
【００３６】
選択画素のリセット時（図２のタイミングｂ）には、“Ｈ”レベルの水平リセットパルスφＨＲｍが導通状態のリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６を経てリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加され、これによりリセット用ＭＯＳトランジスタ１５が導通状態となるため、フォトダイオード１２がＶＤＤレベルにリニア領域で完全リセットされる。
【００３７】
選択画素のノイズレベル読み出し時（図２のタイミングｃ）には、水平リセットパルスφＨＲｍが“Ｌ”レベルの状態にあり、この“Ｌ”レベルが導通状態のリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６を経てリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加されることによってリセット用ＭＯＳトランジスタ１５が非導通状態になる。これにより、リセットのレベルが増幅用ＭＯＳトランジスタ１３でノイズ電流に変換される。また、この時点より次のフレーム蓄積が開始される。
【００３８】
信号電荷の蓄積時（図２のタイミングｄ）、即ち他の行の他の列の読み出し時には、垂直走査パルスφＶｍが“Ｌ”レベルに遷移するが、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６がデプレッション型であるために、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極はフローティング状態にはならず、“Ｌ”レベルに保たれる。
【００３９】
非選択画素のリセット時（図２のタイミングｅ）には、“Ｈ”レベルの水平リセットパルスφＨＲｍによりリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のドレインがＶＤＤレベルになると、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のゲート電極の“Ｌ”レベルのポテンシャルに応じた電位が、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に印加される。なお、フォトダイオード１２は、デプレッションのリセットゲートがそのまま横型オーバーフローバリアになっていて、このレベルを超える電荷は電源へと捨てられるようになっているが、この時点でオーバーフローバリアが下がり、ここでオーバーフローレベルが決まる。
【００４０】
ところで、単位画素の構成を考えた場合に、図６又は図７に示すように、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５とリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６を、フォトダイオード１２のカソード電極と電源線１７の間に直列に接続し、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に水平リセットパルスφＨＲｍ又は垂直走査パルスφＶｎを、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のゲート電極に垂直走査パルスφＶｎ又は水平リセットパルスφＨＲｍを印加する構成が一般的に考えられる。
【００４１】
しかしながら、これらの構成の場合には、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５とリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６によるフィードスルーが、信号レベルを読み出す際とノイズレベルを読み出す際で異なってしまい、これが画素ごとのバラツキの原因となる。その理由について、図６の構成に対応した図８のポテンシャル図を用いて以下に説明する。
【００４２】
先ず、垂直走査パルスφＶｎの発生によって画素が選択され、水平リセットパルスφＨＲｍの発生によってリセットされているときを状態１．とする。この状態１．では、フォトダイオード１２はＶＤＤレベルにリセットされている。そして、状態２．では、水平リセットパルスφＨＲｍが消滅し、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５がオフする際のフィードスルーの影響で、フォトダイオード１２のポテンシャルはＶＤＤレベルよりも僅かに浅くなる。この状態でノイズレベルの読み出しとなる。
【００４３】
状態３．では、垂直走査パルスφＶｎが消滅することで非選択状態となる。リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６がオフする際のフィードスルーの影響で、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５とリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６の間の拡散領域のポテンシャルはＶＤＤレベルよりも僅かに浅くなる。
【００４４】
状態４．は電荷の蓄積状態であり、フォトダイオード１２のポテンシャルが蓄積された電荷により浅くなっていく。状態５．は、非選択のリセット状態、即ち他の行の同じ列がリセットされている状態であり、水平リセットパルスφＨＲｍの発生により、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５が導通状態となり、信号電荷とリセットゲートのフィードスルーおよびリセット選択ゲートのフィードスルーが合わされる。
【００４５】
状態６．で水平リセットパルスφＨＲｍが消滅するときに、さらにフォトダイオード１２にリセットゲートのフィードスルーが加わる。他の行を読み出している期間中、状態５．状態６．を繰り返す。状態７．で、垂直走査パルスφＶｎの発生により、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６が導通状態となり、この状態で信号レベルが読み出される。この後、状態１．に戻る。
【００４６】
図８のポテンシャル図において、状態２．と状態７．の比較から明らかなように、状態７．の信号レベルの読み出し時と、状態２．のノイズレベルの読み出し時では、フォトダイオード１２に蓄えられているフィードスルーによる電荷の量が異なる。フィードスルーの量は、Ｖｔｈバラツキと同様に個々のトランジスタによって異なるので、信号レベルの読み出しとノイズレベルの読み出しのフィードスルーの違いは、画素バラツキを抑圧するためのＣＤＳ回路２５ではキャンセルすることができず、そのまま画素バラツキとして残ってしまう。
【００４７】
リセット用ＭＯＳトランジスタ１５とリセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６の接続関係を逆にした図７の構成の場合にも、図９のポテンシャル図から明らかなように、図６の構成の場合と同様のことが言える。
【００４８】
これに対し、本実施形態においては、リセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のソース電極を接続し、リセット選択用ＭＯＳトランジスタ１６のドレイン電極、ソース電極を介してリセット用ＭＯＳトランジスタ１５のゲート電極に水平リセットパルスφＨＲｍを印加する構成としたことで、ノイズ読み出し時、信号読み出し時のいずれにおいても、リセット選択ゲートによるフィードスルーの影響がないので、各画素ごとのリセットゲートによるフィードスルーのバラツキは後段のＣＤＳ回路２５で抑圧することができる。
【００４９】
図１０は、１次元固体撮像素子に適用された本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【００５０】
図１０において、破線で囲まれた領域が単位画素５１を表している。この単位画素５１は、光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）５２と、増幅素子である増幅用ＭＯＳトランジスタ５３と、選択スイッチである選択用ＭＯＳトランジスタ５４と、リセットスイッチであるリセット用ＭＯＳトランジスタ５５とから構成され、直線状に１次元配置されている。
【００５１】
この単位画素５１において、フォトダイオード５２は入射光を光電変換しかつ光電変換によって得られた信号電荷を蓄積する機能を持つ。このフォトダイオード５２のカソード電極には、増幅用ＭＯＳトランジスタ５３のゲート電極が接続されている。増幅用ＭＯＳトランジスタ５３のドレイン電極は、電源（ＶＤＤ）線５６に接続されている。
【００５２】
増幅用ＭＯＳトランジスタ５３のソース電極と信号線５７の間には、選択用ＭＯＳトランジスタ５４が接続されている。また、フォトダイオード５２のカソード電極と電源線５６の間には、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５が接続されている。このリセット用ＭＯＳトランジスタ５５としては、デプレッション型トランジスタが用いられている。
【００５３】
また、１次元配列された単位画素５１を順に選択するための走査回路５８が設けられている。そして、この走査回路５８から出力される走査パルスφＨＳｍが選択用ＭＯＳトランジスタ５４のゲート電極に、リセットパルスφＨＲｍがリセット用ＭＯＳトランジスタ５５のゲート電極にそれぞれそれぞれ印加される。すなわち、走査回路５８が、リセットパルスφＨＲｍを発生するリセット回路を兼ねることにより、回路構成の簡略化を図っている。
【００５４】
信号線５７の出力端側には、画素リセット前とリセット後のそれぞれの信号の差分をとる差分回路として、例えば回路構成が簡単なＣＤＳ回路５９が設けられている。このＣＤＳ回路５９としては、先の実施形態の場合と同様に、図３に示す回路構成のものが用いられる。
【００５５】
次に、上記構成の第２実施形態に係る増幅型固体撮像素子の動作について、図１１のタイミングチャートを用いて説明する。
【００５６】
先ず、光電変換によってフォトダイオード５２に蓄積された信号電荷（電子）は、増幅用ＭＯＳトランジスタ５３によって電荷信号に変換される。そして、走査回路５８から走査パルスφＨＳｍが出力されると、選択用ＭＯＳトランジスタ５４が導通状態になり、この選択用ＭＯＳトランジスタ５４を通して信号電流が信号線５７を経てＣＤＳ回路５９に供給される。
【００５７】
その後すぐに、信号電流を出力した同一画素に対し、走査回路５８からリセットパルスφＨＲｍが出力され、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５のゲート電極に印加される。これにより、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５が導通状態となるため、フォトダイオード５２はＶＤＤレベルにリセットされる。
【００５８】
このリセットパルスφＨＲｍは、図１１のタイミングチャートから明らかなように、走査パルスφＨＳｍの発生期間（“Ｈ”レベルの期間）内で発生される。したがって、リセットパルスφＨＲｍの消滅後、即ちリセット後のフォトダイオード５２の電荷（ノイズ成分）が増幅用ＭＯＳトランジスタ５３で電流に変換され、そのリセット電流が導通状態にある選択用ＭＯＳトランジスタ５４を通して信号線５７に流れ、この信号線５７を経てＣＤＳ回路５９に供給される。
【００５９】
以上の一連の動作により、１つの画素５１について信号出力→ＰＤリセット→ノイズ出力という形で信号出力とリセット出力が順次得られ、ＣＤＳ回路５９に供給される。そして、ＣＤＳ回路５９において、リセット前の信号出力とリセット後のノイズ出力を使って相関二重サンプリングを行うことにより、主に増幅用ＭＯＳトランジスタ５３の特性のバラツキ成分を抑圧することができる。
【００６０】
ここで、フォトダイオード５２のリセット動作についてさらに詳しく述べる。なお、図１０から明らかなように、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５として、デプレッション型トランジスタが用いられている。
【００６１】
フォトダイオード５２をＶＤＤレベルにリセットする際に、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５にエンハンスメント型トランジスタを使った場合には、リセットパルスφＨＲｍによって選択された状態でリセット用ＭＯＳトランジスタ５５のドレイン電極に電源ＶＤＤが印加されても、図４（Ａ）に示すように、飽和領域の動作となるため、ソース側の電位はドレイン側の電位よりも落ちてしまい、リセットの時間が短いと電荷の取り残しが生じ、残像の原因となる。
【００６２】
これに対して、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５としてデプレッション型トランジスタを使うことにより、図４（Ｂ）に示すように、線型領域での動作となり、ソース側の電位がほぼドレイン側の電位まで達するため、電荷の取り残しの無い、完全なリセット動作が可能となる。
【００６３】
続いて、上記構成の第２実施形態に係る増幅型固体撮像素子の動作について、図１１のタイミングチャートに基づいて図１２のポテンシャル図を用いて説明する。
【００６４】
信号読み出し時（図１１のタイミングａ）には、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５は導通状態にはならないので、フォトダイオード５２に蓄積された信号電荷が増幅用ＭＯＳトランジスタ５３で信号電流に変換される。
【００６５】
リセット時（図１１のタイミングｂ）には、“Ｈ”レベルのリセットパルスφＨＲｍがリセット用ＭＯＳトランジスタ５５のゲート電極に印加され、これによりリセット用ＭＯＳトランジスタ５５が導通状態となるため、フォトダイオード５２がＶＤＤレベルにリニア領域で完全リセットされる。
【００６６】
ノイズレベル読み出し時（図１１のタイミングｃ）には、リセットパルスφＨＲｍが“Ｌ”レベルの状態にあり、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５が非導通状態になる。これにより、リセットのレベルが増幅用ＭＯＳトランジスタ５３でノイズ電流に変換される。また、この時点（図１１のタイミングｄ）より次のフレーム蓄積が開始される。
【００６７】
なお、フォトダイオード５２は、デプレッションのリセットゲートがそのまま横型オーバーフローバリアになっていて、このレベルを超える電荷は電源へと捨てられるようになっている。オーバーフローレベルは、リセット用ＭＯＳトランジスタ５５のゲート電位の“Ｌ”レベルのポテンシャルである。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、単位画素ごとに増幅機能を持つ固体撮像素子において、単位画素の各々で画素信号を出力するごとに光電変換素子を完全リセットする構成としたことにより、各画素より信号成分とノイズ成分を順次出力することができるので、リセット前後の差分をとることによって固定パターンノイズを抑圧することができる。また、各画素を完全リセットしているので残像の発生もなく、さらに２次元固体撮像素子においては、信号成分とノイズ成分が垂直信号線から水平信号線へ同一の経路を経由して出力されるので、縦筋状の固定パターンノイズの発生も抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】第１実施形態の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図３】ＣＤＳ回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図４】エンハンスメント型ＭＯＳトランジスタ（Ａ）とデプレッション型ＭＯＳトランジスタ（Ｂ）のＩｄ−Ｖｄ特性図である。
【図５】第１実施形態に係るリセット部の動作説明のためのポテンシャル図である。
【図６】単位画素の他の構成例を示す回路図である。
【図７】単位画素のさらに他の構成例を示す回路図である。
【図８】図５の構成に対応したポテンシャル図である。
【図９】図６の構成に対応したポテンシャル図である。
【図１０】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図１１】第２実施形態の動作説明のためのタイミングチャートである。
【図１２】第２実施形態に係るリセット部の動作説明のためのポテンシャル図である。
【図１３】従来例を示す構成図である。
【図１４】課題を説明するための構成図である。
【符号の説明】
１１，５１…単位画素、１２，５２…フォトダイオード（光電変換素子）、１３，５３…増幅用ＭＯＳトランジスタ、１４，５４…選択用ＭＯＳトランジスタ、１５，５５…リセット用ＭＯＳトランジスタ、１６…リセット選択用ＭＯＳトランジスタ、１７，５６…電源（ＶＤＤ）線、１８…垂直信号線、１９…水平リセット線、２０…垂直選択線、２１…水平信号線、２２…水平選択用ＭＯＳトランジスタ、２３…垂直走査回路、２４…水平走査回路、２５，５９…ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路、５７…信号線、５８…走査回路
Claims (7)
- 入射光を光電変換しかつ光電変換によって得られた信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
デプレッション型トランジスタで構成され、前記光電変換素子をリセットするリセットスイッチと、
前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を電気信号に変換する増幅素子と、
前記増幅素子からの信号を選択的に出力する選択スイッチと、
デプレッション型ＭＯＳトランジスタからなり、リセットパルスに応答して前記リセットスイッチをオン／オフ制御するリセット選択スイッチと
を有し、前記リセットスイッチによるリセット前の信号とリセット後の信号とを共通の垂直信号線を経由して出力する単位画素と、
前記単位画素から出力されたリセット前の信号とリセット後の信号のそれぞれの差分をとる差分回路とを備え、
前記リセットスイッチは前記光電変換素子と電源線の間に接続され、
前記リセット選択スイッチは前記リセットスイッチのゲート電極と前記リセットパルスが与えられるリセット線の間に接続されている
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記単位画素が行列状に２次元配置されてなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記垂直信号線と水平信号線との間に、前記垂直信号線に導出された前記リセットスイッチによるリセット前の信号とリセット後の信号とを共通に出力する水平選択スイッチを備えた
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。 - 前記差分回路は、相関二重サンプリング回路である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記単位画素が直線状に１次元配置されてなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記リセットスイッチは前記光電変換素子と電源線の間に接続されている
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子。 - 入射光を光電変換しかつ光電変換によって得られた信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
デプレッション型トランジスタで構成され、前記光電変換素子をリセットするリセットスイッチと、
前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を電気信号に変換する増幅素子と、
前記増幅素子からの信号を選択的に出力する選択スイッチと、
デプレッション型ＭＯＳトランジスタからなり、リセットパルスに応答して前記リセットスイッチをオン／オフ制御するリセット選択スイッチとを有し、
前記リセットスイッチは前記光電変換素子と電源線の間に接続され、
前記リセット選択スイッチは前記リセットスイッチのゲート電極と前記リセットパルスが与えられるリセット線の間に接続されている
単位画素を備えた固体撮像素子において、
単位画素の各々において画素信号を出力するごとに前記リセットスイッチによって前記光電変換素子をリセットし、
単位画素の各々から前記リセットスイッチによるリセット前の信号とリセット後の信号とを導出しかつ共通の伝送経路を経由して伝送し、
しかる後リセット前の信号とリセット後の信号のそれぞれの差分をとる
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
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