JP4328327B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関し、特に増幅型固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

近年、固体撮像装置の一つとして、ＭＯＳ型の撮像素子を用いた増幅型固体撮像装置が注目されている。この固体撮像装置は、画素を表すセル毎に設けられ、フォトダイオードで検出した信号を増幅する増幅トランジスタを備え、高感度という特徴を持つ。この固体撮像装置においては、高画素化（メガピクセル化）による画像の高画質化が要求されている。

このような固体撮像装置に関し、二次元に配列された画素を有する固体撮像装置において、転送選択スイッチを設けなくても画素の選択／非選択を行うことが可能な固体撮像装置が、例えば、特許文献１で提案されている。

以下に、特許文献１に記載の固体撮像装置について説明する。図１２は、特許文献１に記載の固体撮像装置の回路構成を示す図である。

この固体撮像装置は、フォトダイオード２１、読み出しトランジスタ２２、リセットトランジスタ２３、増幅トランジスタ２４、垂直選択トランジスタ２６、及び増幅トランジスタ２４のゲートに直結するフローティングディフュージョン部（以下ＦＤ部という）２５からなる複数の単位セル２０を行列状に配置してなるイメージエリア５０４と、単位セル２０を行単位で選択する行選択回路５１０と、信号処理部５１１に単位セル２０の信号電圧を列単位で伝達する第１の垂直信号線５０９と、第１の垂直信号線５０９を介して伝達された信号電圧を保持し、ノイズをカットする信号処理部５１１と、単位セル２０を列単位で選択する列選択回路５１２と、信号処理部５１１から出力された信号電圧を出力アンプ５１４に伝達する水平信号線５１３と、出力アンプ５１４と、負荷トランジスタ群５１５とから構成される。

図１３は、信号処理部５１１の回路構成を示す図である。図１３では、図１２に示した固体撮像装置のイメージエリア５０４に対応して、２列分の画素と接続された垂直信号線が示されている。

信号処理部５１１は、第１の垂直信号線５０９と接続されたサンプルホールドトランジスタ６０１と、サンプルホールドトランジスタ６０１を介して第１の垂直信号線５０９に接続されたクランプ容量６０２と、クランプ容量６０２を介して第１の垂直信号線５０９に接続された第２の垂直信号線６０３と、第２の垂直信号線６０３と接続されたサンプリングトランジスタ６０４と、サンプリングトランジスタ６０４を介して第２の垂直信号線６０３と接続されたサンプリング容量６０５と、クランプ容量６０２及びサンプリングトランジスタ６０４に接続されたクランプトランジスタ６０６と、第２の垂直信号線６０３に接続された列選択トランジスタ６０７と、水平信号線５１３と接続された水平信号線容量６０８とから構成される。

サンプルホールドトランジスタ６０１は、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第１の垂直信号線５０９により伝達された信号電圧をクランプ容量６０２に伝達する。

第２の垂直信号線６０３は、第１の垂直信号線５０９からクランプ容量６０２を介して伝達された信号電圧を伝達する。

サンプリングトランジスタ６０４は、ＳＷ線をハイレベルにする容量選択パルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６０３により伝達された信号電圧をサンプリング容量６０５に転送する。

クランプトランジスタ６０６は、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線６０３と、クランプ容量６０２と、サンプリング容量６０５とをＣＬＤＣＮＣ線の電位にリセットする。クランプ容量６０２はリセット時の端子Ａ―Ｂ間の電圧を保持することで、単位セル２０毎で異なる固定パターンノイズを除去する。

列選択トランジスタ６０７は、ＣＳＥＬ線をハイレベルにする列選択パルスの印加に対応して、順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量６０５に蓄積された信号電圧を水平信号線５１３に転送する。

サンプリング容量６０５は、各行毎に読み出された信号電圧を保持する。
以上のような従来の固体撮像装置の動作について、図１４（ａ）に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。

ｍ行目の単位セル２０が選択されると、ＬＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｍ）がｍ行目の単位セル２０の垂直選択トランジスタ２６に印加される。垂直選択トランジスタ２６はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ２４と負荷トランジスタ群５１５とでソースフォロア回路が形成され、単位セル２０の画素電源に追従した電圧がソースフォロア回路から第１の垂直信号線５０９に出力される。

次に、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ６０１に印加される。サンプルホールドトランジスタ６０１は、ＯＮ状態となり、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線５０９に出力された電圧がクランプ容量６０２に保持される。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６０６に印加される。クランプトランジスタ６０６はＯＮ状態となり、クランプ容量６０２の第２の垂直信号線６０３側がＣＬＤＣＮＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷ線をハイレベルにする容量選択パルスが印加されているので、サンプリングトランジスタ６０４はＯＮ状態となり、サンプリング容量６０５がＣＬＤＣＮＣ線の電位にリセットされる。

次に、ＲＥＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｍ）がリセットトランジスタ２３に印加される。リセットトランジスタ２３はＯＮ状態となり、ＦＤ部２５の電位がリセットされる。ＦＤ部２５に接続している増幅トランジスタ２４のゲート電圧はＦＤ部２５の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線５０９に出力される。ここで、Ｖｔは増幅トランジスタ２４の閾値電圧であり、αは電圧増幅率である。

次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６０６に印加され、クランプトランジスタ６０６がＯＦＦ状態となり、第２の垂直信号線６０３の電位はフローティング状態となる。

次に、ＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｍ）が読み出しトランジスタ２２に印加される。読み出しトランジスタ２２はＯＮ状態となり、フォトダイオード２１に蓄積した信号電荷がＦＤ部２５に転送される。ＦＤ部２５に接続している増幅トランジスタ２４のゲート電圧はＦＤ部２５の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線５０９に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ６０６に印加されているので、クランプトランジスタ６０６はＯＦＦ状態となり、サンプリング容量６０５には、ＦＤ部２５の電位がリセットされたときに第１の垂直信号線５０９に出力された電圧と、フォトダイオード２１に蓄積された信号電荷がＦＤ部２５に転送されたときに第１の垂直信号線５０９に出力された電圧との差に応じた電圧変化がｍ行目の単位セル２０の信号電圧として蓄積される。

次に、ＣＳＥＬ（ｍ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ＋１）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ＋１）、・・・が列選択トランジスタ６０７に順次印加され、各列選択トランジスタ６０７は順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量６０５に蓄積された信号電圧が水平信号線５１３に順次出力される。
特開２００４−３０４７７１号公報

ところで、従来の増幅型固体撮像装置の駆動タイミングでは、読み出しトランジスタのＯＮ時およびＯＦＦ時の動作においてＦＤ部へのカップリングが発生する。すなわち、垂直信号線における読み出しトランジスタのカップリングの影響により、画質に不具合が発生する。

以下に、その画像不具合の詳細について説明する。図１４（ｂ）は、フォトダイオード２１に信号電荷が蓄積されていない暗時において、図１２で示した固体撮像装置の読み出しトランジスタ２２に印加される読み出しパルスがローレベルからハイレベル又はハイレベルからローレベルに変化した場合のＦＤ部２５の電位変化の状態と第１垂直信号線５０９の電位変化の状態とを示す図である。

図１４（ｂ）に示されるように、読み出しパルスがローレベルからハイレベルになり、読み出しトランジスタ２２がＯＮ状態となる場合（図１４におけるｔ₁）、読み出しトランジスタ２２のゲートとソース間の容量を介してのＦＤ部２５へのカップリングにより、ＦＤ部２５の電位が上がる。その結果、ソースフォロワを介して第１の垂直信号線５０９の電位が上昇し、この状態においてサンプリングパルスがハイレベル状態になっているので、第２の垂直信号線６０３の電位も変化を受ける。

また、図１４（ｂ）に示されるように、読み出しパルスがハイレベルからローレベルになり、読み出しトランジスタ２２がＯＦＦ状態となる場合（図１４におけるｔ₂）、読み出しトランジスタ２２のゲートとソース間を介してのＦＤ部２５へのカップリングにより、ＦＤ部２５の電位が下がる。その結果、ソースフォロワを介して第１の垂直信号線５０９の電位が上昇し、この状態においてサンプリングパルスがハイレベル状態になっているので、第２の垂直信号線６０３の電位も変化を受ける。

すなわち、従来の増幅型固体撮像装置では、読み出しトランジスタ２２を動作させるための電位変化のカップリングにより、第２の垂直信号線６０３の電位が変化する。読み出しトランジスタ２２のカップリング量は各列でばらつくため、各列の第２の垂直信号線６０３の電位変化にもばらつきが生じる。従って、列選択回路５１２により各列の信号成分を取り出し出力させると、列毎の出力にばらつきが生じるので、結果として従来の増幅型固体撮像装置は画像不良という課題を有している。

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、フォトダイオードからの信号電荷の読み出しを制御する読み出しトランジスタの動作時に起こるカップリングに起因する画像不良を抑制す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を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、増幅型固体撮像装置であって、光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を読み出す読み出しトランジスタとを有し、信号電荷に対応する増幅信号を出力する単位セルと、前記単位セルと接続された信号線と、前記信号線を介して伝達される前記増幅信号を蓄積する蓄積素子と、前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの開始、及び前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの終了のいずれかにおいて、前記単位セルの増幅信号の前記蓄積素子への伝達を防止する伝達防止手段とを備えることを特徴とする。ここで、前記伝達防止手段は、前記単位セルと前記蓄積素子との間の信号線に接続された定電圧源と、前記定電圧源と前記信号線との間に挿入された第１伝達防止トランジスタと、前記第１伝達防止トランジスタを制御する第１制御手段であってもよい。

また、本発明は、光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を読み出す読み出しトランジスタとを有し、信号電荷に対応する増幅信号を出力する単位セルと、前記単位セルと接続された信号線と、前記信号線を介して伝達される前記増幅信号を蓄積する蓄積素子と、前記単位セルと前記蓄積素子との間の信号線に接続された定電圧源と、前記定電圧源と前記信号線との間に挿入された第１伝達防止トランジスタと、前記第１伝達防止トランジスタを制御する第１制御手段とを備える増幅型固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１制御手段は、前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの開始、及び前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの終了のいずれかにおいて、前記第１伝達防止トランジスタがオフ状態になるように制御することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法とすることもできる。

これによって、読み出しトランジスタのゲートの電圧変化が信号線に伝達することを抑制し、読み出しトランジスタの動作時に起こるカップリングの影響が信号線に伝達するのを抑制できるので、読み出しトランジスタの動作時に起こるカップリングに起因する画像不良を抑制することができる。

本発明によれば、簡易な回路構成で、読み出しトランジスタの動作時に起こるカップリングに起因する画像不良を抑制することができる。その結果、低コストかつ高性能な固体撮像装置を実現でき、配線の微細化によりフォトダイオードからの信号を回路で増幅する固体撮像装置において特に有用である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置及びその駆動方法について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の回路構成を示す図である。
この固体撮像装置は、光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオード１１、フォトダイオード１１の信号電荷を読み出す読み出しトランジスタ１２、リセットトランジスタ１３、増幅トランジスタ１４、及び増幅トランジスタ１４のゲートに直結するフローティングディフュージョン部（以下ＦＤ部という）１５、及び垂直選択トランジスタ１６からなり、信号電荷に対応する増幅信号を出力する複数の単位セル１０−ｍ・・・１０−ｎを行列状に配置してなるイメージエリア１０４と、単位セル１０を行単位で選択する行選択回路１１０と、単位セル１０と接続され、信号処理部１１１に単位セル１０の信号電圧を列単位で伝達する第１の垂直信号線１０９と、単位セル１０の列毎に設けられ、単位セル１０と信号処理部１１１との間の第１の垂直信号線１０９と接続されたバイアス電流源１１６と、単位セル１０の列毎に設けられ、バイアス電流源１１６と第１の垂直信号線１０９との間に挿入されたカップリング制御用トランジスタ１１５と、カップリング制御用トランジスタ１１５を制御するカップリング制御回路１１７と、第１の垂直信号線１０９を介して伝達された信号電圧を保持し、ノイズをカットする信号処理部１１１と、単位セル１０を列単位で選択する列選択回路１１２と、信号処理部１１１から出力された信号電圧を出力アンプ１１４に伝達する水平信号線１１３と、出力アンプ１１４とから構成される。

なお、イメージエリア１０４には、便宜上第１画素列及び第２画素列の２列分だけが示されている。また、各単位セル１０は信号線１０１を介して画素電源と接続されている。

カップリング制御用トランジスタ１１５は、ＣＯＮＴ線をローレベルにするカップリング制御パルスの印加に対応してＯＦＦ状態となり、第１の垂直信号線１０９により伝達される、対応する単位セル１０の列の増幅信号の信号処理部１１１への伝達を防止する。

カップリング制御回路１１７は、読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの開始、及び読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの終了の両方において、単位セル１０の増幅信号の信号処理部１１１への伝達が防止されるように、カップリング制御用トランジスタ１１５のオン・オフを制御する。すなわち、カップリング制御回路１１７は、読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの開始及び終了においてカップリング制御用トランジスタ１１５をオフする。

なお、バイアス電流源１１６、カップリング制御用トランジスタ１１５及びカップリング制御回路１１７はそれぞれ定電圧源、第１伝達防止トランジスタ及び第１制御手段の一例であり、伝達防止手段を構成する。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置は、伝達防止手段としてカップリング制御回路１１７を備えていることが装置構成上の特徴である。

図２は、信号処理部１１１の回路構成を示す図である。図２では、図１に示した固体撮像装置のイメージエリア１０４に対応して、２列分の画素と接続された垂直信号線が示されている。

信号処理部１１１は、単位セル１０とサンプリング容量２０５との間の信号線、つまり第１の垂直信号線１０９と第２の垂直信号線２０３との間に挿入されたサンプルホールドトランジスタ２０１と、サンプルホールドトランジスタ２０１を介して第１の垂直信号線１０９に接続されたクランプ容量２０２と、クランプ容量２０２を介して第１の垂直信号線１０９に接続された第２の垂直信号線２０３と、第２の垂直信号線２０３と接続されたサンプリングトランジスタ２０４と、サンプリングトランジスタ２０４を介して第２の垂直信号線２０３と接続され、第１の垂直信号線１０９及び第２の垂直信号線２０３を介して伝達される増幅信号を蓄積する蓄積素子としてのサンプリング容量２０５と、クランプ容量２０２及びサンプリングトランジスタ２０４に接続されたクランプトランジスタ２０６と、第２の垂直信号線２０３に接続された列選択トランジスタ２０７と、水平信号線１１３と接続された水平信号線容量２０８と、信号処理回路２０９とから構成される。

サンプルホールドトランジスタ２０１は、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第１の垂直信号線１０９により伝達された信号電圧をクランプ容量２０２に伝達する。

第２の垂直信号線２０３は、第１の垂直信号線１０９からクランプ容量２０２を介して伝達された信号電圧を伝達する。

サンプリングトランジスタ２０４は、ＳＷ線をハイレベルにする容量選択パルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線２０３により伝達された信号電圧をサンプリング容量２０５に転送する。

クランプトランジスタ２０６は、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第２の垂直信号線２０３と、クランプ容量２０２と、サンプリング容量２０５とをＣＬＤＣＮＣ線の電位にリセットする。クランプ容量２０２はリセット時の端子Ａ―Ｂ間の電圧を保持することで、単位セル１０毎で異なる固定パターンノイズを除去する。

列選択トランジスタ２０７は、ＣＳＥＬ線をハイレベルにする列選択パルスの印加に対応して、順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量２０５に蓄積された信号電圧を水平信号線１１３に転送する。

サンプリング容量２０５は、単位セル１０の列毎に設けられ、対応する単位セル１０の列の信号電圧を蓄積する。

信号処理回路２０９は、ＳＰ線、ＳＷ線及びＣＰ線にパルスを印加する。
以上のような第１の実施の形態に係る固体撮像装置の動作について、図３（ａ）に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。

ｍ行目の単位セル１０−ｍが選択されると、図３（ａ）におけるＡで示される時間領域において、ＬＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｍ）が垂直選択トランジスタ１６に印加され、垂直選択トランジスタ１６はＯＮ状態となる。このとき、ＣＯＮＴ線をハイレベルにするカップリング制御パルスがカップリング制御用トランジスタ１１５に印加されているので、増幅トランジスタ１４とバイアス電流源１１６とでソースフォロア回路が形成され、単位セル１０の画素電源に追従した電圧がソースフォロア回路から第１の垂直信号線１０９に出力される。

また、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ２０１に印加される。サンプルホールドトランジスタ２０１は、ＯＮ状態となり、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線１０９に出力された電圧がクランプ容量２０２に保持される。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ２０６に印加される。クランプトランジスタ２０６はＯＮ状態となり、クランプ容量２０２の第２の垂直信号線２０３側がＣＬＤＣＮＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷ線をハイレベルにする容量選択パルスが印加されているので、サンプリングトランジスタ２０４はＯＮ状態となり、サンプリング容量２０５がＣＬＤＣＮＣ線の電位にリセットされる。

また、ＲＥＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｍ）がリセットトランジスタ１３に印加される。リセットトランジスタ１３はＯＮ状態となり、ＦＤ部１５の電位がリセットされる。ＦＤ部１５に接続している増幅トランジスタ１４のゲート電圧はＦＤ部１５の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線１０９に出力される。ここで、Ｖｔは増幅トランジスタ１４の閾値電圧であり、αは電圧増幅率である。

次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ２０６に印加され、クランプトランジスタ２０６がＯＦＦ状態となり、第２の垂直信号線２０３の電位はフローティング状態となる。

次に、図３（ａ）におけるＢで示される時間領域において、ＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｍ）が読み出しトランジスタ１２に印加される。読み出しトランジスタ１２はＯＮ状態となり、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷がＦＤ部１５に転送される。ＦＤ部１５に接続している増幅トランジスタ１４のゲート電圧はＦＤ部１５の電位となり、この電圧に応じた電圧、具体的には（ＦＤ部の電位−Ｖｔ）×αで与えられる電圧が第１の垂直信号線１０９に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ２０６に印加されているので、クランプトランジスタ２０６はＯＦＦ状態となり、サンプリング容量２０５には、ＦＤ部１５の電位がリセットされたときに第１の垂直信号線１０９に出力された電圧と、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷がＦＤ部１５に転送されたときに第１の垂直信号線１０９に出力された電圧との差に応じた電圧変化がｍ行目の単位セル１０−ｍの信号電圧として蓄積される。

ここで、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化する場合（図３におけるｔ₁）及びＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化する場合（図３におけるｔ₂）において、カップリング制御パルスをローレベルにしてカップリング制御トランジスタ１１５を一時的にＯＦＦ状態にする。よって、図３（ｂ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化する時に、読み出しトランジスタ１２のゲートとソース間の寄生容量を介して起こるＦＤ部１５への電圧カップリングの影響は第１の垂直信号線１０９に伝達されるが、第２の垂直信号線２０３には伝達されない。また、読み出しトランジスタ１２がＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化する時に、読み出しトランジスタ１２のゲートとソース間の寄生容量を介して起こるＦＤ部１５への電圧カップリングの影響についても第１の垂直信号線１０９に伝達されるが、第２の垂直信号線２０３に伝達されない。

次に、図３（ａ）におけるＣで示される時間領域において、ＣＳＥＬ（ｍ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ＋１）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ−１）、・・・が列選択トランジスタ２０７に順次印加され、各列選択トランジスタ２０７は順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量２０５に蓄積された信号電圧が水平信号線１１３に順次出力される。

以上のように本実施の形態に係る固体撮像装置によれば、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態になる場合及びＯＮ状態からＯＦＦ状態になる場合において、一時的にカップリング制御パルスをローレベルにする事で、カップリング制御用トランジスタ１０８がＯＦＦ状態にされる。よって、読み出しトランジスタ１２のゲートの電圧変化がソースとゲート間の容量を介してＦＤ部１５にカップリングし、ＦＤ部１５の電位が変化し、ＦＤ部１５のソースフォロワを介して電位変化が第２の垂直信号線２０３に伝達することを抑制できる。すなわち、ＦＤ部１５のカップリングの影響が第２の垂直信号線２０３に伝達されるのを抑制し、各列におけるＦＤ部１５のカップリングばらつきが第２の垂直信号線２０３に影響するのを抑制できるので、カップリングに起因する画像不良を抑制できる。また、垂直信号線上にアンプ等の増幅機能をつけて信号成分を増幅することにより低ノイズ化を図る場合においても、カップリングの影響は伝達しないため、フォトダイオードからの信号の増幅率を従来よりも大きくでき、低ノイズ化に大きく貢献できる。

なお、本実施の形態の固体撮像装置において、読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの開始、及び読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの終了の両方において、単位セル１０の増幅信号の信号処理部１１１への伝達が防止されるように、カップリング制御用トランジスタ１１５のオン・オフを制御するとした。しかし、読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの開始及び終了のいずれかにおいて、単位セル１０の増幅信号の信号処理部１１１への伝達が防止されるように、カップリング制御用トランジスタ１１５のオン・オフを制御してもよい。

すなわち、図４（ａ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態になる場合においてのみ、一時的にカップリング制御パルスをローレベルにする事で、カップリング制御用トランジスタ１１５をＯＦＦ状態にしてもよい。これによって、図４（ｂ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態になる場合において、ＦＤ部１５のカップリングの影響が第２の垂直信号線２０３に伝達されるのを抑制し、ＦＤ部１５のカップリングばらつきが第２の垂直信号線２０３に影響するのを抑制できるので、カップリングに起因する画像不良を抑制できる。

また、図５（ａ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＮ状態からＯＦＦ状態になる場合においてのみ、一時的にカップリング制御パルスをローレベルにする事で、カップリング制御用トランジスタ１１５をＯＦＦ状態にしてもよい。これによって、図５（ｂ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＮ状態からＯＦＦ状態になる場合において、ＦＤ部１５のカップリングの影響が第２の垂直信号線２０３に伝達されるのを抑制し、ＦＤ部１５のカップリングばらつきが第２の垂直信号線２０３に影響するのを抑制できるので、カップリングに起因する画像不良を抑制できる。

また、本実施の形態の固体撮像装置において、カップリング制御用トランジスタ１１５はイメージエリア１０４と信号処理部１１１との間の第１の垂直信号線１０９に設けられるとしたが、これに限られず、第１の垂直信号線１０９上のどこに設けてもよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法について、第１の実施の形態の固体撮像装置と異なる点を中心に、図面を参照しながら説明する。

図６は、第２の実施の形態に係る増幅型固体撮像装置の回路構成を示す図である。
この固体撮像装置は、カップリング制御用トランジスタではなくサンプルホールドトランジスタを制御することで、読み出しトランジスタによる信号電荷の読み出しの開始、及び読み出しトランジスタによる信号電荷の読み出しの終了における、単位セルの増幅信号のサンプリング容量への伝達を防止するという点で第１の実施の形態の固体撮像装置と異なる。

この固体撮像装置は、複数の単位セル１０−ｍ・・・１０−ｎを行列状に配置してなるイメージエリア１０４と、行選択回路１１０と、第１の垂直信号線１０９と、第１の垂直信号線１０９を介して伝達された信号電圧を保持し、ノイズをカットする信号処理部３１１と、列選択回路１１２と、水平信号線１１３と、出力アンプ１１４と、負荷トランジスタ群３１５とから構成される。

図７は、信号処理部３１１の回路構成を示す図である。図７では、図６に示した固体撮像装置のイメージエリア１０４に対応して、２列分の画素と接続された垂直信号線が示されている。

信号処理部３１１は、単位セル１０の列毎に設けられ、単位セル１０とサンプリング容量２０５との間の信号線、つまり第１の垂直信号線１０９と第２の垂直信号線２０３との間に挿入されたサンプルホールドトランジスタ４０１と、クランプ容量２０２と、第２の垂直信号線２０３と、サンプリングトランジスタ２０４と、サンプリング容量２０５と、クランプトランジスタ２０６と、列選択トランジスタ２０７と、水平信号線容量２０８と、信号処理回路４０９とから構成される。

サンプルホールドトランジスタ４０１は、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスの印加に対応して、ＯＮ状態となり、第１の垂直信号線１０９により伝達された信号電圧をクランプ容量２０２に伝達する。また、ＳＰ線をローレベルにするサンプリングパルスの印加に対応してＯＦＦ状態となり、第１の垂直信号線１０９により伝達される、対応する単位セル１０の列の増幅信号のサンプリング容量２０５への伝達を防止する。

信号処理回路４０９は、ＳＰ線、ＳＷ線及びＣＰ線にパルスを印加する。また、読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの開始、及び読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの終了の両方において、単位セル１０の増幅信号のサンプリング容量２０５への伝達が防止されるように、サンプルホールドトランジスタ４０１のオン・オフを制御する。すなわち、信号処理回路４０９は、読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの開始及び終了においてサンプルホールドトランジスタ４０１をオフする。

なお、サンプルホールドトランジスタ４０１及び信号処理回路４０９はそれぞれ第２伝達防止トランジスタ及び第２制御手段の一例であり、伝達防止手段を構成する。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置は、伝達防止手段としてサンプルホールドトランジスタ４０１に接続した信号処理回路４０９を備えていることが装置構成上の特徴である。

以上のような第２の実施の形態に係る固体撮像装置の動作について、図３（ａ）に示す駆動タイミングチャートに沿って説明する。

ｍ行目の単位セル１０−ｍが選択されると、図８（ａ）におけるＡで示される時間領域において、ＬＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにする行選択パルス（ｍ）が垂直選択トランジスタ１６に印加される。垂直選択トランジスタ１６はＯＮ状態となり、増幅トランジスタ１４と負荷トランジスタ群３１５とでソースフォロア回路が形成され、単位セル１０の画素電源に追従した電圧がソースフォロア回路から第１の垂直信号線１０９に出力される。

また、ＳＰ線をハイレベルにするサンプリングパルスがサンプルホールドトランジスタ４０１に印加される。サンプルホールドトランジスタ４０１は、ＯＮ状態となり、ソースフォロア回路から第１の垂直信号線１０９に出力された電圧がクランプ容量２０２に保持される。このとき、ＣＰ線をハイレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ２０６に印加される。クランプトランジスタ２０６はＯＮ状態となり、クランプ容量２０２の第２の垂直信号線２０３側がＣＬＤＣＮＣ線の電位にリセットされる。また、同時にＳＷ線をハイレベルにする容量選択パルスが印加されているので、サンプリングトランジスタ２０４はＯＮ状態となり、サンプリング容量２０５がＣＬＤＣＮＣ線の電位にリセットされる。

また、ＲＥＳＥＴ（ｍ）線をハイレベルにするリセットパルス（ｍ）がリセットトランジスタ１３に印加される。リセットトランジスタ１３はＯＮ状態となり、ＦＤ部１５の電位がリセットされる。ＦＤ部１５に接続している増幅トランジスタ１４のゲート電圧はＦＤ部１５の電位となり、この電圧に応じた電圧が第１の垂直信号線１０９に出力される。

次に、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ２０６に印加され、クランプトランジスタ２０６がＯＦＦ状態となり、第２の垂直信号線２０３の電位はフローティング状態となる。

次に、図８（ａ）におけるＢで示される時間領域において、ＲＥＡＤ（ｍ）線をハイレベルにする読み出しパルス（ｍ）が読み出しトランジスタ１２に印加される。読み出しトランジスタ１２はＯＮ状態となり、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷がＦＤ部１５に転送される。ＦＤ部１５に接続している増幅トランジスタ１４のゲート電圧はＦＤ部１５の電位となり、この電圧に応じた電圧が第１の垂直信号線１０９に出力される。このとき、ＣＰ線をローレベルにするクランプパルスがクランプトランジスタ２０６に印加されているので、クランプトランジスタ２０６はＯＦＦ状態となり、サンプリング容量２０５には、ＦＤ部１５の電位がリセットされたときに第１の垂直信号線１０９に出力された電圧と、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷がＦＤ部１５に転送されたときに第１の垂直信号線１０９に出力された電圧との差に応じた電圧変化がｍ行目の単位セル１０−ｍの信号電圧として蓄積される。

ここで、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化する場合（図８におけるｔ₁）及びＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化する場合（図８におけるｔ₂）において、サンリングパルスをローレベルにしてサンプルホールドトランジスタ４０１を一時的にＯＦＦ状態にする。よって、図８（ｂ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化する時に、読み出しトランジスタ１２のゲートとソース間の寄生容量を介して起こるＦＤ部１５への電圧カップリングの影響は第１の垂直信号線１０９に伝達されるが、第２の垂直信号線２０３には伝達されない。また、読み出しトランジスタ１２がＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化する時に、読み出しトランジスタ１２のゲートとソース間の寄生容量を介して起こるＦＤ部１５への電圧カップリングの影響についても第１の垂直信号線１０９に伝達されるが、第２の垂直信号線２０３に伝達されない。

次に、図８（ａ）におけるＣで示される時間領域において、ＣＳＥＬ（ｍ）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ）、ＣＳＥＬ（ｍ＋１）線をハイレベルにする列選択パルス（ｍ−１）、・・・が列選択トランジスタ２０７に順次印加され、各列選択トランジスタ２０７は順次ＯＮ状態となり、サンプリング容量２０５に蓄積された信号電圧が水平信号線１１３に順次出力される。

以上のように本実施の形態に係る固体撮像装置によれば、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態になる場合及びＯＮ状態からＯＦＦ状態になる場合において、一時的にサンプリングパルスをローレベルにする事で、サンプルホールドトランジスタ４０１がＯＦＦ状態にされる。よって、読み出しトランジスタ１２のゲートの電圧変化がソースとゲート間の容量を介してＦＤ部１５にカップリングし、ＦＤ部１５の電位が変化し、ＦＤ部１５のソースフォロワを介して電位変化が第２の垂直信号線２０３に伝達することを抑制できる。すなわち、各列におけるＦＤ部１５のカップリングの影響が第２の垂直信号線２０３に伝達するのを抑制し、ＦＤ部１５のカップリングばらつきが第２の垂直信号線２０３に影響するのを抑制できるのでカップリングに起因する画像不良を抑制できる。

また、本実施の形態に係る固体撮像装置によれば、第１の実施の形態の固体撮像装置のように、ＦＤ部１５のカップリングの影響が第２の垂直信号線２０３に伝達するのを抑制するための新たなトランジスタを設ける必要がないので、低コストかつ高性能の固体撮像装置を実現できる。

なお、本実施の形態の固体撮像装置において、読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの開始、及び読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの終了の両方において、単位セル１０の増幅信号のサンプリング容量２０５への伝達が防止されるように、サンプルホールドトランジスタ４０１のオン・オフを制御するとした。しかし、読み出しトランジスタ１２による信号電荷の読み出しの開始及び終了のいずれかにおいて、単位セル１０の増幅信号のサンプリング容量２０５への伝達が防止されるように、サンプルホールドトランジスタ４０１のオン・オフを制御してもよい。

すなわち、図９（ａ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態になる場合においてのみ、一時的にサンプリングパルスをローレベルにする事で、サンプルホールドトランジスタ４０１をＯＦＦ状態にしてもよい。これによって、図９（ｂ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態になる場合において、ＦＤ部１５のカップリングの影響が第２の垂直信号線２０３に伝達されるのを抑制し、ＦＤ部１５のカップリングばらつきが第２の垂直信号線２０３に影響するのを抑制できるので、カップリングに起因する画像不良を抑制できる。

また、図１０（ａ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＮ状態からＯＦＦ状態になる場合においてのみ、一時的にサンプリングパルスをローレベルにする事で、サンプルホールドトランジスタ４０１をＯＦＦ状態にしてもよい。これによって、図１０（ｂ）に示されるように、読み出しトランジスタ１２がＯＮ状態からＯＦＦ状態になる場合において、ＦＤ部１５のカップリングの影響が第２の垂直信号線２０３に伝達されるのを抑制し、ＦＤ部１５のカップリングばらつきが第２の垂直信号線２０３に影響するのを抑制できるので、カップリングに起因する画像不良を抑制できる。

（第３の実施の形態）
以下、本発明の第３の実施の形態に係るカメラについて、図面を参照しながら説明する。

図１１は、第３の実施の形態に係るカメラのブロック図である。
このカメラは、第１及び第２の実施の形態の増幅型固体撮像装置１０１０を用いたカメラであって、レンズ１０００と、固体撮像装置１０１０と、駆動回路１０２０と、信号処理部１０３０と、外部インターフェイス部１０４０とからなる。

上記構成を有するカメラにおいて、外部に信号が出力されるまでの処理は以下のような順序に沿っておこなわれる。
（１）レンズ１０００を光が通過し、固体撮像装置１０１０に入る。
（２）信号処理部１０３０は、駆動回路１０２０を通して固体撮像装置１０１０を駆動し、固体撮像装置１０１０からの出力信号を取り込む。
（３）信号処理部１０３０で処理した信号を、外部インターフェイス部１０４０を通して外部に出力する。

以上のように本実施の形態のカメラによれば、カップリングに起因する画像不良を抑制することが可能な固体撮像装置を備えたカメラを実現できる。よって、画質に優れたカメラを実現することができる。

以上、本発明の固体撮像装置及びその駆動方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態の限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。

例えば、固体撮像装置の駆動タイミングは、第１の実施の形態及び第２の実施の形態で示した駆動タイミングを組み合わせたものであっても構わない。

本発明は、固体撮像装置その駆動方法に利用でき、特に増幅型固体撮像装置及びその駆動方法等に利用することができる。

本発明の第１の実地の形態に係る増幅型固体撮像装置の回路構成を示す図である。 信号処理部の回路構成を示す図である。 （ａ）同実施の形態における固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。（ｂ）ＦＤ部の電位変化の状態と垂直信号線の電位変化の状態とを示す図である。 （ａ）同実施の形態における固体撮像装置の変形例の動作を説明するためのタイミングチャートである。（ｂ）ＦＤ部の電位変化の状態と垂直信号線の電位変化の状態とを示す図である。 （ａ）同実施の形態における固体撮像装置の変形例の動作を説明するためのタイミングチャートである。（ｂ）ＦＤ部の電位変化の状態と垂直信号線の電位変化の状態とを示す図である。 本発明の第２の実地の形態に係る増幅型固体撮像装置の回路構成を示す図である。 信号処理部の回路構成を示す図である。 （ａ）同実施の形態における固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。（ｂ）ＦＤ部の電位変化の状態と垂直信号線の電位変化の状態とを示す図である。 （ａ）同実施の形態における固体撮像装置の変形例の動作を説明するためのタイミングチャートである。（ｂ）ＦＤ部の電位変化の状態と垂直信号線の電位変化の状態とを示す図である。 （ａ）同実施の形態における固体撮像装置の変形例の動作を説明するためのタイミングチャートである。（ｂ）ＦＤ部の電位変化の状態と垂直信号線の電位変化の状態とを示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係るカメラのブロック図である。 従来の固体撮像装置の回路構成を示す図である。 信号処理部の回路構成を示す図である。 （ａ）従来の固体撮像装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。（ｂ）ＦＤ部の電位変化の状態と第１垂直信号線の電位変化の状態とを示す図である。

符号の説明

１０、２０ 単位セル
１１、２１ フォトダイオード
１２、２２ 読み出しトランジスタ
１３、２３ リセットトランジスタ
１４、２４ 増幅トランジスタ
１５、２５ フローティングディフュージョン部
１０４、５０４ イメージエリア
１０９、５０９ 第１の垂直信号線
１１０、５１０ 行選択回路
１１１、３１１、５１１、１０３０ 信号処理部
１１２、５１２ 列選択回路
１１３、５１３ 水平信号線
１１４、５１４ 出力アンプ
１１５ カップリング制御用トランジスタ
１１６ バイアス電流源
１１７ カップリング制御回路
２０１、４０１、６０１ サンプルホールドトランジスタ
２０２、６０２ クランプ容量
２０３、６０３ 第２の垂直信号線
２０４、６０４ サンプリングトランジスタ
２０５、６０５ サンプリング容量
２０６、６０６ クランプトランジスタ
２０７、６０７ 列選択トランジスタ
２０８、６０８ 水平信号線容量
３１５、５１５ 負荷トランジスタ群
２０９、４０９ 信号処理回路
１０００ レンズ
１０１０ 固体撮像装置
１０２０ 駆動回路
１０４０ 外部インターフェイス

Claims (9)

1. 増幅型固体撮像装置であって、
   光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を読み出す読み出しトランジスタとを有し、信号電荷に対応する増幅信号を出力する単位セルと、
   前記単位セルと接続された信号線と、
   前記信号線を介して伝達される前記増幅信号を蓄積する蓄積素子と、
   前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの開始、及び前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの終了のいずれかにおいて、前記単位セルの増幅信号の前記蓄積素子への伝達を防止する伝達防止手段とを備える
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記伝達防止手段は、前記単位セルと前記蓄積素子との間の前記信号線に挿入された第２伝達防止トランジスタと、前記第２伝達トランジスタを制御する第２制御手段である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記伝達防止手段は、前記単位セルと前記蓄積素子との間の信号線に接続された定電圧源と、前記定電圧源と前記信号線との間に挿入された第１伝達防止トランジスタと、前記第１伝達防止トランジスタを制御する第１制御手段である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を読み出す読み出しトランジスタとを有し、信号電荷に対応する増幅信号を出力する単位セルと、
   前記単位セルと接続された信号線と、
   前記信号線を介して伝達される前記増幅信号を蓄積する蓄積素子と、
   前記単位セルと前記蓄積素子との間の前記信号線に挿入された第２伝達防止トランジスタと、
   前記第２伝達トランジスタを制御する第２制御手段とを備える増幅型固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記第２制御手段は、前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの開始、及び前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの終了のいずれかにおいて、前記第２伝達防止トランジスタがオフ状態になるように制御する
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
5. 前記単位セルは、行列状に複数配置され、
   前記蓄積素子は、前記単位セルの列毎に設けられ、対応する前記単位セルの列の増幅信号を蓄積し、
   前記第２伝達防止トランジスタは、前記単位セルの列毎に設けられ、
   前記第２制御手段は、所定の列の単位セルにおいて前記信号電荷の読み出しが行われるときには、前記所定の列の単位セルに対応して設けられた前記第２伝達防止トランジスタを制御する
   ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置の駆動方法。
6. 光を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの信号電荷を読み出す読み出しトランジスタとを有し、信号電荷に対応する増幅信号を出力する単位セルと、
   前記単位セルと接続された信号線と、
   前記信号線を介して伝達される前記増幅信号を蓄積する蓄積素子と、
   前記単位セルと前記蓄積素子との間の信号線に接続された定電圧源と、
   前記定電圧源と前記信号線との間に挿入された第１伝達防止トランジスタと、
   前記第１伝達防止トランジスタを制御する第１制御手段とを備える増幅型固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記第１制御手段は、前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの開始、及び前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの終了のいずれかにおいて、前記第１伝達防止トランジスタがオフ状態になるように制御する
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
7. 前記単位セルは、行列状に複数配置され、
   前記蓄積素子は、前記単位セルの列毎に設けられ、対応する前記単位セルの列の増幅信号を蓄積し、
   前記第１伝達防止トランジスタは、前記単位セルの列毎に設けられ、
   前記第１制御手段は、所定の列の単位セルにおいて前記信号電荷の読み出しが行われるときには、前記所定の列の単位セルに対応して設けられた前記第１伝達防止トランジスタを制御する
   ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の駆動方法。
8. 前記第１制御手段又は第２制御手段は、前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの開始、及び前記読み出しトランジスタによる前記信号電荷の読み出しの終了の両方において、前記単位セルの増幅信号の前記蓄積素子への伝達を防止する
   ことを特徴とする請求項４又は６記載の固体撮像装置の駆動方法。
9. 請求項１記載の固体撮像装置と、信号処理部と、駆動回路とを備え、
   前記信号処理部は、前記駆動回路を通して前記固体撮像装置を駆動し、前記固体撮像装置からの出力信号を取り込んで処理し、前記処理した信号を外部に出力する
   ことを特徴とするカメラ。

Images