JP4345145B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57Control of the dynamic range
    • H04N25/571Control of the dynamic range involving a non-linear response
    • H04N25/573Control of the dynamic range involving a non-linear response the logarithmic type

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関するものであり、特に複数の画素を備えた固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像装置は、小型、軽量で低消費電力であるのみならず、画像歪や焼き付きが無く、振動や磁界などの環境条件に強い。又、LSI(Large Scale Integrated circuit)と共通の工程又は類似の工程で製造できるので、信頼性が高く、量産にも適している。このため、ライン状に画素が配された固体撮像装置がファクシミリやフラットベッドスキャナに、マトリクス状に画素が配された固体撮像装置がビデオカメラやデジタルカメラなどに幅広く使用されている。ところで、このような固体撮像装置は光電変換素子で発生した光電荷を読み出す(取り出す)手段によってCCD型とMOS型に大きく分けられる。CCD型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。一方、MOS型はフォトダイオードのpn接合容量に蓄積した電荷をMOSトランジスタを通して読み出すようになっている。
【0003】
ここで、従来のMOS型固体撮像装置の1画素当りの構成を図18に示し説明する。同図において、PDはフォトダイオードであり、そのカソードがMOSトランジスタT1のゲートとMOSトランジスタT2のドレインに接続されている。MOSトランジスタT1のソースはMOSトランジスタT3のドレインに接続され、MOSトランジスタT3のソースは出力信号線Voutへ接続されている。またMOSトランジスタT1のドレインには直流電圧VPDが印加され、MOSトランジスタT2のソースとフォトダイオードのアノードには直流電圧VPSが印加されている。
【0004】
フォトダイオードPDに光が入射すると、光電荷が発生し、その電荷はMOSトランジスタT1のゲートに蓄積される。ここで、MOSトランジスタT3のゲートにパルスφVを与えてMOSトランジスタT3をONすると、MOSトランジスタT1のゲートの電荷に比例した電流がMOSトランジスタT1、T3を通って出力信号線Voutへ導出される。このようにして入射光量に比例した出力電流を読み出すことができる。信号読み出し後はMOSトランジスタT3をOFFにするとともに、MOSトランジスタT2のゲートに信号φRSを与えてMOSトランジスタT2をONすることでMOSトランジスタT1のゲート電圧を初期化させることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のMOS型の固体撮像装置は各画素においてフォトダイオードで発生しMOSトランジスタのゲートに蓄積された光電荷をそのまま読み出すものであったからダイナミックレンジが狭く、そのため露光量を精密に制御しなければならず、しかも露光量を精密に制御しても暗い部分が黒くつぶれたり、明るい部分が飽和したりしていた。一方、本出願人は、入射した光量に応じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力するMOSトランジスタと、このMOSトランジスタをサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とを備え、光電流を対数変換するようにした固体撮像装置を提案した(特開平3−192764号公報参照)。
【0006】
この固体撮像装置が撮像動作を行った後、基の状態にリセットする際、各画素は、低輝度域の状態までは光電流の逆極性となる電流(「リセット電流」と呼ぶ。)がMOSトランジスタに流入しやすいため、MOSトランジスタに充電された光電荷が再結合されて高速でリセットされる。しかしながら、各画素が低輝度域の状態になると、MOSトランジスタの閾値電圧の影響を受けて、リセット電流が流入しにくくなる。よって、MOSトランジスタに充電された光電荷が再結合されにくくなるため、リセットに時間がかかる。このように低輝度域では各画素の応答性が悪くなるため、再び撮像動作を行ったとき、残像が発生しやすくなるという問題がある。
【0007】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、高輝度域から低輝度域までの幅広い輝度範囲の被写体を高精細に撮像することができるとともに、低輝度域でも各画素が高速に基の状態にリセットされる応答性の良い固体撮像装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため請求項に記載の固体撮像蔵置は、入射した光量に対して自然体数的に変換した出力信号を発生する光電変換手段と、該光電変換手段の出力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた複数の画素を有する固体撮像装置において、前記光電変換手段が、第1電極に直流電圧が印加された光電変換素子と、第1電極と第2電極と制御電極とを備え、第1電極及び制御電極が光電変換素子の第2電極に接続されるとともに、光電変換素子からの出力電流が流れ込む第1のトランジスタと、第1電極と第2電極と制御電極とを備え、第1電極に直流電圧が印加されるとともに制御電極が前記第1のトランジスタの第1電極及び制御電極に接続され、第2電極から電気信号を出力する第2のトランジスタとから構成され、前記第1のトランジスタの第2電極に第1電圧を与えて、前記第1のトランジスタを閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させて撮像を行い、前記第1のトランジスタの第2電極に第2電圧を与えて、前記第1のトランジスタに前記第2電圧を与える前よりも大きい電流が流れ得るようにしてリセットを行うことを特徴とする。
【0010】
請求項に記載の固体撮像装置は、請求項に記載の固体撮像装置において、前記画素がマトリクス状に配設されることを特徴とする。
【0011】
請求項に記載の固体撮像装置は、請求項1又は請求項に記載の固体撮像装置において、前記光電変換手段から出力される電気信号を積分する積分回路を有し、該積分回路で積分した信号を前記導出路を介して前記出力信号線へ導出することを特徴とする。
【0012】
このような構成によると、各画素からの出力信号は積分回路で積分されるので、この出力信号に含まれる光源の変動成分や高周波のノイズは、積分回路で吸収され除去される。又、請求項に記載するように、前記積分した信号を前記出力信号線へ出力した後に、前記積分回路の電荷を放出するリセット手段を設けることによって、各画素が出力を行った後に、初期化することができる。このリセット手段は、請求項に記載するように、第1電極と第2電極と制御電極とを備え、前記積分回路に第1電極が接続されたトランジスタとすることによって、該トランジスタの制御電極に印加する電圧のレベルを変化して該トランジスタを導通させて、前記積分回路に蓄積された電荷を放出することができる。
【0013】
請求項に記載の固体撮像装置は、請求項又は請求項に記載の固体撮像装置において、前記各画素が、前記光電変換手段の出力信号を増幅する増幅用トランジスタを有しており、該増幅用トランジスタの出力信号を前記導出路を介して前記出力信号線へ出力することを特徴とする。
【0014】
このような固体撮像装置によると、増幅用トランジスタによって、出力信号が増幅されて充分な大きさとなって出力されるので、感度の良い撮像信号となる。このような固体撮像装置において、請求項に記載するように、前記出力信号線に接続されたその総数が全画素数より少ない負荷抵抗又は定電流源を設けても良い。
【0015】
負荷抵抗又は定電流源として請求項に記載するように、前記出力信号線に接続された第1電極と、直流電圧に接続された第2電極と、直流電圧に接続された制御電極とを有する抵抗用トランジスタとしても良い。又、増幅用トランジスタをNチャネルのMOSトランジスタとする場合、請求項に記載するように、前記増幅用トランジスタの第1電極に印加される直流電圧を、前記抵抗用トランジスタの第2電極に接続される直流電圧よりも高電位とすればよい。又、増幅用トランジスタをPチャネルのMOSトランジスタとする場合、請求項10に記載するように、前記増幅用トランジスタの第1電極に印加される直流電圧を、前記抵抗用トランジスタの第2電極に接続される直流電圧よりも低電位とすればよい。更に、導出路としては、請求項11に記載するように、全画素の中から所定のものを順次選択し、選択された画素から増幅された信号を出力信号線に導出するスイッチを含むものを用いても良い。
【0016】
請求項12に記載の固体撮像装置は、複数の画素を有する固体撮像装置において、各画素が、フォトダイオードと、該フォトダイオードの一方の電極に第1電極とゲート電極が接続された第1MOSトランジスタと、該第1MOSトランジスタの第1電極及びゲート電極にゲート電極が接続された第2MOSトランジスタとを有し、前記画素に撮像動作をさせるときは、前記フォトダイオードから出力される電気信号を自然対数的に変換するように、前記第1MOSトランジスタの第2電極に第1電圧を与えて、前記第1MOSトランジスタを閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させ、前記画素のリセットを行うときは、前記第1MOSトランジスタの第2電極に第2電圧を与えて、前記第1のトランジスタに前記第2電圧を与える前よりも大きい電流が流れ得るようにすることを特徴とする。
【0017】
又、請求項13に記載するように、前記画素に、第1電極が前記第2MOSトランジスタの第2電極に接続され、第2電極が出力信号線に接続され、ゲート電極が行選択線に接続された第4MOSトランジスタを設けても良い。又、請求項14に記載の固体撮像装置のように、前記画素に、第1電極に直流電圧が印加され、ゲート電極が前記第2MOSトランジスタの第2電極に接続されるとともに、前記第2MOSトランジスタの第2電極から出力される出力信号を増幅する第3MOSトランジスタを設けても良い。
【0018】
請求項15に記載の固体撮像装置は、請求15に記載の固体撮像装置において、前記画素が、第1電極が前記第3MOSトランジスタの第2電極に接続され、第2電極が出力信号線に接続され、ゲート電極が行選択線に接続された第4MOSトランジスタを有することを特徴とする。
【0019】
請求項16に記載の固体撮像装置は、請求項14又は請求項15に記載の固体撮像装置において、前記画素が、前記第2MOSトランジスタの第2電極に一端が接続されるとともに、前記第2MOSトランジスタの第1電極にリセット電圧が与えられたときに前記第2MOSトランジスタを介してリセットされるキャパシタを有することを特徴とする。
【0020】
請求項17に記載の固体撮像装置は、請求項14又は請求項15に記載の固体撮像装置において、前記第3MOSトランジスタの第1電極に直流電圧が印加されるとともに、前記画素が、前記第2MOSトランジスタの第2電極に第1電極が接続され第2電極に直流電圧が印加された第5MOSトランジスタと、前記第2MOSトランジスタの第2電極に一端が接続されるとともに、前記第5MOSトランジスタのゲート電極にリセット電圧が与えられたときに前記第5MOSトランジスタを介してリセットされるキャパシタと、を有することを特徴とする。
【0021】
請求項18に記載の固体撮像装置は、請求項12〜請求項17のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記画素に対し前記出力信号線を介して接続された負荷抵抗又は定電流源を成すMOSトランジスタを備えていることを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
<画素構成の第1例>
以下、本発明の固体撮像装置の各実施形態を図面を参照して説明する。図1は本発明の一実施形態である二次元のMOS型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。同図において、G11〜Gmnは行列配置(マトリクス配置)された画素を示している。2は垂直走査回路であり、行(ライン)4−1、4−2、・・・、4−nを順次走査していく。3は水平走査回路であり、画素から出力信号線6−1、6−2、・・・、6−mに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。5は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン4−1、4−2・・・、4−nや出力信号線6−1、6−2・・・、6−m、電源ライン5だけでなく、他のライン(例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等)も接続されるが、図1ではこれらについて省略し、図2に示す第1の実施形態において示している。
【0023】
出力信号線6−1、6−2、・・・、6−mごとにNチャネルのMOSトランジスタQ2が図示の如く1つずつ設けられている。MOSトランジスタQ2のドレインは出力信号線6−1に接続され、ソースは最終的な信号線9に接続され、ゲートは水平走査回路3に接続されている。尚、後述するように各画素内にはスイッチ用のNチャネルの第3MOSトランジスタT3も設けられている。ここで、MOSトランジスタT3は行の選択を行うものであり、MOSトランジスタQ2は列の選択を行うものである。
【0024】
<第1の実施形態>
図1に示した画素構成の第1例の各画素に適用される第1の実施形態(図2)について、図面を参照して説明する。
【0025】
図2において、pnフォトダイオードPDが感光部(光電変換部)を形成している。そのフォトダイオードPDのアノードは第1MOSトランジスタT1のゲート及びドレイン、第2MOSトランジスタT2のゲートに接続されている。MOSトランジスタT2のソースは行選択用の第3MOSトランジスタT3のドレインに接続されている。MOSトランジスタT3のソースは出力信号線6(この出力信号線6は図1の6−1、6−2、・・・、6−mに対応する)へ接続されている。尚、MOSトランジスタT1〜T3は、それぞれ、NチャネルのMOSトランジスタでバックゲートが接地されている。
【0026】
又、フォトダイオードPDのカソードには直流電圧VPDが印加されるようになっている。一方、MOSトランジスタT1のソースには信号φVPSが入力され、MOSトランジスタT2のソースには他端に直流電圧VPSが印加されるキャパシタCの一端が接続される。MOSトランジスタT2のドレインには信号φDが入力され、又、MOSトランジスタT3のゲートには信号φVが入力される。尚、信号φVPSは2値の電圧信号で、直流電圧VPSと略等しい電圧でMOSトランジスタT1をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をハイレベルとし、又、この電圧よりも低くMOSトランジスタT1を導通状態にする電圧をローレベルとする。
【0027】
(1)各画素への入射光を電気信号に変換する動作について
図2のような回路構成の画素において、MOSトランジスタT1がサブスレッショルド領域で動作するように、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをハイレベルとする。このとき、フォトダイオードPDに光が入射すると光電流が発生し、MOSトランジスタのサブスレッショルド特性により、光電流を自然対数的に変換した値の電圧がMOSトランジスタT1,T2のゲートに発生する。この電圧により、MOSトランジスタT2に電流が流れ、キャパシタCには前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値と同等の電荷が蓄積される。つまり、キャパシタCとMOSトランジスタT2のソースとの接続ノードaに、前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値に比例した電圧が生じることになる。ただし、このとき、MOSトランジスタT3はOFFの状態である。
【0028】
次に、MOSトランジスタT3のゲートにパルス信号φVを与えて、MOSトランジスタT3をONにすると、キャパシタCに蓄積された電荷が、出力電流として出力信号線6に導出される。この出力信号線6に導出される電流は前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値となる。このようにして入射光量の対数値に比例した信号(出力電流)を読み出すことができる。又、信号読み出し後、MOSトランジスタT3をOFFする。
【0029】
(2)各画素のリセット動作について
以下に、図面を参照して、図2のような回路構成の画素のリセット動作について説明する。図3は、リセット動作を行うときの画素内の各素子に接続された各信号線に与える信号のタイミングチャートである。又、図4は、各画素のリセットを行う際のフォトダイオードPD及びMOSトランジスタT1のポテンシャルの状態を示す図である。尚、図4(a)がフォトダイオードPDとMOSトランジスタT1の構造を表した断面図であるとともに、図4(b)〜(e)が、この図4(a)の断面図に応じた各部のポテンシャルを示す図である。尚、図4(b)〜(e)において、矢印の方向がポテンシャルが高いことを表す。
【0030】
ところで、フォトダイオードPDは、例えば、図4(a)のように、P型の半導体基板(以下、「P型基板」という。)10に、N型ウェル層11を形成するとともに、そのN型ウェル層11にP型拡散層12を設けることによって形成される。又、MOSトランジスタT1は、P型基板10にN型拡散層13,14を形成し、且つ、そのN型拡散層13,14間のチャンネル上に順次、酸化膜15とポリシリコン層16を形成することによって構成される。ここで、N型ウェル層11がフォトダイオードPDのカソード側を形成するとともに、P型拡散層12がアノード側を形成する。又、N型拡散層13,14が、それぞれMOSトランジスタT1のドレイン、ソースを形成するとともに、酸化膜15及びポリシリコン層16がそれぞれゲート絶縁膜とゲート電極を形成する。尚、ここで、P型基板10において、N型拡散層13,14の間の領域をゲート下領域ということにする。
【0031】
(1)で説明したように、MOSトランジスタT3のゲートにパルスφVを与えることによって、図2のような回路構成の各画素から入射光に対して対数変換された電気信号(出力信号)が出力信号線6に出力される。このように出力信号が出力されてパルスφVがローレベルになると、リセット動作が始まる。このリセット動作について、図3及び図4を参照して説明する。
【0032】
まず、パルス信号φVがトランジスタT3のゲートに与えられて、出力信号が出力された後、リセット動作が始まる。つまり、MOSトランジスタT1のソース側より負の電荷が流れ込み、MOSトランジスタT1のゲート及びドレイン、MOSトランジスタT2のゲート、そしてフォトダイオードPDのアノードに蓄積された正の電荷が再結合される。よって、図4(b)のように、ある程度までリセットされて、MOSトランジスタT1のドレイン及びゲート下領域のポテンシャルが下がる。
【0033】
このように、MOSトランジスタT1のドレイン及びゲート下領域のポテンシャルが基の状態にリセットされようとするが、そのポテンシャルがある値になると、そのリセットされる速度が遅くなる。特に、明るい被写体が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをローレベルにする。このように、MOSトランジスタT1のソース電圧を低くすることによって、MOSトランジスタT1のポテンシャルが図4(c)のように変化する。よって、MOSトランジスタT1のソースから流入する負の電荷の量が増加し、MOSトランジスタT1のゲート及びドレイン、MOSトランジスタT2のゲート、そしてフォトダイオードPDのアノードに蓄積された正の電荷が速やかに再結合される。
【0034】
よって、図4(d)のように、MOSトランジスタT1のドレイン及びゲート下領域のポテンシャルが図4(c)の状態と比べて低くなる。図4(d)のようにMOSトランジスタT1のポテンシャルが変化すると、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをハイレベルにする。よって、MOSトランジスタT1のポテンシャル状態が、図4(e)のようになって、基の状態にリセットされる。このように、MOSトランジスタT1のポテンシャルの状態を基の状態にリセットした後、信号φDの電圧をローレベルにして、キャパシタCを放電して、接続ノードaの電位を基の状態にリセットする。その後、信号φDの電圧をハイレベルに戻して撮像動作が行える状態にする。
【0035】
このように、感光素子であるフォトダイオードPDにドレインが電気的に接続されたMOSトランジスタT1のソースに与える電位を操作してリセットを行うことにより、固体撮像装置の各画素の応答性が改善される。従って、暗い被写体を撮像する場合や、明るい被写体が急に暗くなった場合にも残像の発生を防止して良好な撮像が可能となる。
【0036】
尚、各画素からの信号読み出しは電荷結合素子(CCD)を用いて行うようにしてもかまわない。この場合、図2のMOSトランジスタT3に相当するポテンシャルレベルを可変としたポテンシャルの障壁を設けることにより、CCDへの電荷読み出しを行えばよい。
【0037】
<画素構成の第2例>
図5は本発明の他の実施形態である二次元のMOS型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。同図において、G11〜Gmnは行列配置(マトリクス配置)された画素を示している。2は垂直走査回路であり、行(ライン)4−1、4−2、・・・、4−nを順次走査していく。3は水平走査回路であり、画素から出力信号線6−1、6−2、・・・、6−mに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。5は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン4−1、4−2・・・、4−nや出力信号線6−1、6−2・・・、6−m、電源ライン5だけでなく、他のライン(例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等)も接続されるが、図5ではこれらについて省略し、図7以降の各実施形態において示している。
【0038】
出力信号線6−1、6−2、・・・、6−mごとにNチャネルのMOSトランジスタQ1、Q2が図示の如く1組ずつ設けられている。MOSトランジスタQ1のゲートは直流電圧線7に接続され、ドレインは出力信号線6−1に接続され、ソースは直流電圧VPS’のライン8に接続されている。一方、MOSトランジスタQ2のドレインは出力信号線6−1に接続され、ソースは最終的な信号線9に接続され、ゲートは水平走査回路3に接続されている。
【0039】
画素G11〜Gmnには、後述するように、それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力するNチャネルのMOSトランジスタTaが設けられている。MOSトランジスタTaと上記MOSトランジスタQ1との接続関係は図6(a)のようになる。このMOSトランジスタTaは、第2、第3の実施形態では、第4MOSトランジスタT4に、第4の実施形態では、第2MOSトランジスタT2に相当する。ここで、MOSトランジスタQ1のソースに接続される直流電圧VPS’と、MOSトランジスタTaのドレインに接続される直流電圧VPD’との関係はVPD’>VPS’であり、直流電圧VPS’は例えばグランド電圧(接地)である。この回路構成は上段のMOSトランジスタTaのゲートに信号が入力され、下段のMOSトランジスタQ1のゲートには直流電圧DCが常時印加される。このため下段のMOSトランジスタQ1は抵抗又は定電流源と等価であり、図6(a)の回路はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場合、MOSトランジスタTaから増幅出力されるのは電流であると考えてよい。
【0040】
MOSトランジスタQ2は水平走査回路3によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、後述するように図7以降の各実施形態の画素内にはスイッチ用のNチャネルの第3MOSトランジスタT3も設けられている。このMOSトランジスタT3も含めて表わすと、図6(a)の回路は正確には図6(b)のようになる。即ち、MOSトランジスタT3がMOSトランジスタQ1とMOSトランジスタTaとの間に挿入されている。ここで、MOSトランジスタT3は行の選択を行うものであり、MOSトランジスタQ2は列の選択を行うものである。尚、図5および図6に示す構成は以下に説明する第2の実施形態〜第4の実施形態に共通の構成である。
【0041】
図6のように構成することにより信号を大きく出力することができる。従って、画素がダイナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光電流を自然対数的に変換しているような場合は、そのままでは出力信号が小さいが、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路(図示せず)での処理が容易になる。また、増幅回路の負荷抵抗部分を構成するMOSトランジスタQ1を画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線6−1、6−2、・・・、6−mごとに設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【0042】
<第2の実施形態>
図5に示した画素構成の第2例の各画素に適用される第2の実施形態について、図面を参照して説明する。図7は、本実施形態に使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路図である。尚、図2に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0043】
図7に示すように、本実施形態では、図2に示す画素に、接続ノードaにゲートが接続され接続ノードaの電圧に応じた電流増幅を行う第4MOSトランジスタT4と、接続ノードaの電位の初期化を行う第5MOSトランジスタT5とが付加された構成となる。MOSトランジスタT4のソースがMOSトランジスタT3のドレインに接続され、又、MOSトランジスタT3のソースは出力信号線6(この出力信号線6は図5の6−1、6−2、・・・、6−mに対応する)へ接続されている。尚、MOSトランジスタT4,T5も、MOSトランジスタT1〜T3と同様に、NチャネルのMOSトランジスタでバックゲートが接地されている。
【0044】
又、MOSトランジスタT4のドレインには直流電圧VPDが印加され、MOSトランジスタT3のゲートには信号φVが入力される。又、MOSトランジスタT5のソースには直流電圧VRBが印加されるとともに、そのゲートには信号φVRSが入力される。更に、MOSトランジスタT2のドレインには直流電圧VPDが印加される。尚、本実施形態において、MOSトランジスタT1〜T3及びキャパシタCは、第1の実施形態(図2)と同様の動作を行い、入射光に対して対数変換した電気信号(出力信号)を出力することができる。
【0045】
(1)各画素への入射光を電気信号に変換する動作について
この実施形態において、信号φVPSの電圧値をハイレベルにして、MOSトランジスタT1をサブスレッショルド領域で動作させることにより、第1の実施形態と同様に、フォトダイオードPDが入射光に応じて出力する光電流に対して自然対数的に変換させた出力信号を出力信号線6に出力することができる。以下、このように光電流を自然対数的に変換した出力信号を出力するときの図7に示す画素内の各素子の動作について説明する。
【0046】
フォトダイオードPDに光が入射すると光電流が発生し、MOSトランジスタのサブスレッショルド特性により、前記光電流を自然対数的に変換した値の電圧がMOSトランジスタT1,T2のゲートに発生する。この電圧により、MOSトランジスタT2に電流が流れ、キャパシタCには前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値と同等の電荷が蓄積される。つまり、キャパシタCとMOSトランジスタT2のソースとの接続ノードaに、前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値に比例した電圧が生じることになる。ただし、このとき、MOSトランジスタT3,T5はOFF状態である。
【0047】
次に、MOSトランジスタT3のゲートにパルス信号φVを与えて、MOSトランジスタT3をONにすると、MOSトランジスタT4のゲートにかかる電圧に比例した電流がMOSトランジスタT3,T4を通って出力信号線6に導出される。今、MOSトランジスタT4のゲートにかかる電圧は、接続ノードaにかかる電圧であるので、出力信号線6に導出される電流は前記光電流の積分値を自然対数的に変換した値となる。このようにして入射光量の対数値に比例した信号(出力電流)を読み出した後、MOSトランジスタT3をOFFにする。
【0048】
(2)各画素のリセット動作について
以下に、図面を参照して、図7のような回路構成の画素のリセット動作について説明する。図8は、リセット動作を行うときの画素内の各素子に接続された各信号線に与える信号のタイミングチャートである。(1)で説明したように、MOSトランジスタT3のゲートにパルスφVを与えることによって、図7のような回路構成の各画素が入射光に対して対数変換した電気信号(出力信号)が出力信号線6に出力される。このように出力信号が出力されてパルスφVがローレベルになると、リセット動作が始まる。又、本実施形態の画素をリセットするときのMOSトランジスタT1のポテンシャルの状態は、第1の実施形態と同様、図4(b)〜(e)のようになる。よって、図4及び図8を参照して、そのリセット動作について説明する。
【0049】
まず、パルス信号φVがMOSトランジスタT3のゲートに与えられて、出力信号が出力された後、リセット動作が始まる。そして、第1の実施形態と同様に、MOSトランジスタT1のソース側より負の電荷が流れ込み、MOSトランジスタT1のポテンシャルが図4(b)のような状態になる。
【0050】
次に、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをローレベルにして、図4(c)のように、MOSトランジスタT1を導通状態にする。よって、MOSトランジスタT1のソースから流入する負の電荷の量が増加し、MOSトランジスタT1のゲート及びドレイン、MOSトランジスタT2のゲート、そしてフォトダイオードPDのアノードに蓄積された正の電荷が速やかに再結合される。
【0051】
よって、図4(d)のように、MOSトランジスタT1のドレイン及びゲート下領域のポテンシャルが低くなる。このようにMOSトランジスタT1のポテンシャルが変化すると、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをハイレベルにする。よって、MOSトランジスタT1のポテンシャル状態が、図4(e)のようになって、基の状態にリセットされる。こうしてMOSトランジスタT1のポテンシャルの状態を基の状態にリセットした後、MOSトランジスタT5のゲートにパルス信号φVRSを与え、MOSトランジスタT5を介してキャパシタCを放電して、接続ノードaの電位を基の状態にリセットする。
【0052】
<第3の実施形態>
第3の実施形態について、図面を参照して説明する。図9は、本実施形態に使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路図である。尚、図7に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0053】
図9に示すように、本実施形態では、MOSトランジスタT2のドレインに信号φDを与えることによってキャパシタC及び接続ノードaの電位を初期化するようにし、それによってMOSトランジスタT5を削除した構成となっている。その他の構成は第2の実施形態(図7)と同一である。尚、信号φDのハイレベル期間では、第1の実施形態(図2)と同様にキャパシタCで積分が行なわれ、ローレベル期間では、キャパシタCの電荷がMOSトランジスタT2を通して放電され、キャパシタCの電圧及びMOSトランジスタT4のゲートは略信号φDのローレベル電圧になる(リセット)。本実施形態では、MOSトランジスタT5を省略できる分、構成がシンプルになる。
【0054】
この実施形態において、撮像動作をさせるときは、第2の実施形態と同様に、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをハイレベルにして、MOSトランジスタT1がサブスレッショルド状態で動作するようにする。又、信号φDをハイレベルにして、光電流の積分値を自然対数的に変換した値と同等の電荷をキャパシタCに蓄積する。そして、所定のタイミングでMOSトランジスタT3をONにして、MOSトランジスタT4のゲートにかかる電圧に比例した電流をMOSトランジスタT3,T4を通して出力信号線6に導出する。
【0055】
又、各画素をリセットするときは、第1の実施形態と同様、図3のタイミングで信号を制御する。即ち、まず、第1の実施形態と同様に、パルス信号φVが与えられた後、リセット動作が始まる。次に、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをローレベルにして、MOSトランジスタT1を導通状態にすることによって、MOSトランジスタT1のソースから流入する負の電荷の量を増加させる。よって、第1の実施形態と同様に、MOSトランジスタT1のゲート及びドレイン、MOSトランジスタT2のゲート、そしてフォトダイオードPDのアノードに蓄積された正の電荷が速やかに再結合される。
【0056】
そして、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをハイレベルにして、MOSトランジスタT1のポテンシャル状態を基の状態にリセットする。このように、MOSトランジスタT1のポテンシャルの状態を基の状態にリセットした後、信号φDの電圧をローレベルにして、キャパシタCを放電して、接続ノードaの電位を基の状態にリセットする。その後、信号φDの電圧をハイレベルに戻して撮像動作が行える状態にする。
【0057】
<第4の実施形態>
第4の実施形態について、図面を参照して説明する。図10は、本実施形態に使用する固体撮像装置に設けられた画素の構成を示す回路図である。尚、図9に示す画素と同様の目的で使用される素子及び信号線などは、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0058】
図10に示すように、本実施形態では、MOSトランジスタT2のドレインに直流電圧VPDが印加されるとともに、キャパシタC及びMOSトランジスタT4を削除した構成となっている。即ち、MOSトランジスタT2のソースにMOSトランジスタT3のドレインが接続される。その他の構成は第3の実施形態(図9)と同一である。
【0059】
このような構成の回路において、撮像動作をさせるときは、第3の実施形態と同様に、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをハイレベルにして、MOSトランジスタT1がサブスレッショルド状態で動作するようにする。このようにMOSトランジスタT1を動作させることによって、前記光電流に対して自然対数的に比例した値のドレイン電流がMOSトランジスタT2を流れる。
【0060】
そして、MOSトランジスタT3のゲートにパルス信号φVを与えてONとすると、前記光電流に対して自然対数的に比例した値のドレイン電流が、MOSトランジスタT3を通して出力信号線6に導出される。このとき、MOSトランジスタT2及びMOSトランジスタQ1(図5)の導通時抵抗とそれらを流れる電流によって決まるMOSトランジスタQ1のドレイン電圧が、信号として出力信号線6に現れる。このようにして信号が読み出された後、MOSトランジスタT3をOFFにする。
【0061】
又、各画素をリセットする際には、第3の実施形態と同様に、まず、パルス信号φVが与えられた後、リセット動作が始まる。次に、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをローレベルにして、MOSトランジスタT1を導通状態にすることによって、MOSトランジスタT1のソースから流入する負の電荷の量を増加させる。
【0062】
よって、第1の実施形態と同様に、MOSトランジスタT1のゲート及びドレイン、MOSトランジスタT2のゲート、そしてフォトダイオードPDのアノードに蓄積された正の電荷が速やかに再結合される。そして、MOSトランジスタT1のソースに与える信号φVPSをハイレベルにして、MOSトランジスタT1のポテンシャル状態を基の状態にリセットする。このように、MOSトランジスタT1のポテンシャルの状態を基の状態にリセットして、再び撮像動作が行える状態にする。
【0063】
尚、本実施形態では上記第3の実施形態のように、光信号をキャパシタCで一旦積分するということを行わないので、積分時間が不要となり、又、キャパシタCのリセットも不要であるので、その分信号処理の高速化が図れる。又、本実施形態では、第3の実施形態に比し、キャパシタC及びMOSトランジスタT4を省略できる分、構成が更にシンプルになり画素サイズを小さくすることができる。
【0064】
以上説明した第1〜第4の実施形態は、画素内の能動素子であるMOSトランジスタT1〜T5を全てNチャネルのMOSトランジスタで構成しているが、これらのMOSトランジスタT1〜T5を全てPチャネルのMOSトランジスタで構成してもよい。図12及び図15〜図17には、上記第1〜第4の実施形態をPチャネルのMOSトランジスタで構成した例である第5〜第8の実施形態を示している。そのため図11〜図17では接続の極性や印加電圧の極性が逆になっている。例えば、図12(第5の実施形態)において、フォトダイオードPDはアノードに直流電圧VPDに接続され、カソードが第1MOSトランジスタT1のドレインに接続され、また第2MOSトランジスタT2のゲートに接続されている。MOSトランジスタT1のソースには信号φVPSが入力される。
【0065】
ところで、図12のような画素が対数変換を行うとき、直流電圧VPSと直流電圧VPDは、VPS>VPD となっており、図2(第1の実施形態)と逆である。また、キャパシタCの出力電圧は初期値が高い電圧で、積分によって降下する。また、第3MOSトランジスタT3をONさせるときには、低い電圧をゲートに印加する。更に、図15の実施形態(第6の実施形態)において、第5MOSトランジスタT5をONさせるときには、低い電圧をゲートに印加する。以上の通り、NチャネルのMOSトランジスタを使った場合に比し、PチャネルのMOSトランジスタを用いる場合は、電圧関係や接続関係が一部異なるが、構成は実質的に同一であり、また基本的な動作も同一であるので、図12及び図15〜図17については図面で示すのみで、その構成や動作についての説明は省略する。
【0066】
第5の実施形態の画素を含む固体撮像装置の全体構成を説明するためのブロック回路構成図を図11に示し、第6〜第8の実施形態の画素を含む固体撮像装置の全体構成を説明するためのブロック回路構成図を図13に示している。図11及び図13については、図1及び図5と同一部分(同一の役割部分)に同一の符号を付して説明を省略する。以下、図13の構成について簡単に説明する。列方向に配列された出力信号線6−1、6−2、・・・、6−mに対してPチャネルのMOSトランジスタQ1とPチャネルのMOSトランジスタQ2が接続されている。MOSトランジスタQ1のゲートは直流電圧線7に接続され、ドレインは出力信号線6−1に接続され、ソースは直流電圧VPS’のライン8に接続されている。
【0067】
一方、MOSトランジスタQ2のドレインは出力信号線6−1に接続され、ソースは最終的な信号線9に接続され、ゲートは水平走査回路3に接続されている。ここで、MOSトランジスタQ1は画素内のPチャネルのMOSトランジスタTaと共に図14(a)に示すような増幅回路を構成している。尚、MOSトランジスタTaは、第6、第7の実施形態では第4MOSトランジスタT4に相当し、又、第8の実施形態では第2MOSトランジスタT2に相当する。
【0068】
この場合、MOSトランジスタQ1はMOSトランジスタTaの負荷抵抗又は定電流源となっている。従って、このMOSトランジスタQ1のソースに接続される直流電圧VPS’と、MOSトランジスタTaのドレインに接続される直流電圧VPD’との関係は、VPD’<VPS’であり、直流電圧VPD’は例えばグランド電圧(接地)である。MOSトランジスタQ1のドレインはMOSトランジスタTaに接続され、ゲートには直流電圧が印加されている。PチャネルのMOSトランジスタQ2は水平走査回路3によって制御され、増幅回路の出力を最終的な信号線9へ導出する。第6〜第8の実施形態のように、画素内に設けられた第3MOSトランジスタT3を考慮すると、図14(a)の回路は図14(b)のように表わされる。
【0069】
【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、各画素のリセットを速やかに行うことができるので、撮像時の応答性を良くすることができ、低輝度の被写体を撮像したときに発生する残像をなくすことができる。又、能動素子をMOSトランジスタで構成することにより高集積化が容易となり、周辺の処理回路(A/Dコンバータ、デジタル・システム・プロセッサ、メモリ)等とともにワンチップ上に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である二次元固体撮像装置の全体の構成を説明するためのブロック回路図。
【図2】本発明の第1の実施形態の1画素の構成を示す回路図。
【図3】第1の実施形態で使用する画素の各素子に与える信号のタイミングチャート。
【図4】本発明で使用する画素の構成及びポテンシャルの関係を表した図。
【図5】本発明の一実施形態である二次元固体撮像装置の全体の構成を説明するためのブロック回路図。
【図6】図5の一部の回路図。
【図7】本発明の第2の実施形態の1画素の構成を示す回路図。
【図8】第2の実施形態で使用する画素の各素子に与える信号のタイミングチャート。
【図9】本発明の第3の実施形態の1画素の構成を示す回路図。
【図10】本発明の第4の実施形態の1画素の構成を示す回路図。
【図11】画素内の能動素子をPチャネルのMOSトランジスタで構成した実施形態の場合の本発明の二次元固体撮像装置の全体の構成を説明するためのブロック回路図。
【図12】本発明の第5の実施形態の1画素の構成を示す回路図。
【図13】画素内の能動素子をPチャネルのMOSトランジスタで構成した実施形態の場合の本発明の二次元固体撮像装置の全体の構成を説明するためのブロック回路図。
【図14】図13の一部の回路図。
【図15】本発明の第6の実施形態の1画素の構成を示す回路図。
【図16】本発明の第7の実施形態の1画素の構成を示す回路図。
【図17】本発明の第8の実施形態の1画素の構成を示す回路図。
【図18】従来例の1画素の構成を示す回路図。
【符号の説明】
G11〜Gmn 画素
2 垂直走査回路
3 水平走査回路
4−1〜4−n 行選択線
6−1〜6−m 出力信号線
7 直流電圧線
8 ライン
9 信号線
10 P型半導体基板
11 N型ウェル層
12 P型拡散層
13,14 N型拡散層
15 酸化膜
16 ポリシリコン
PD フォトダイオード
T1〜T5 第1〜第5MOSトランジスタ
C キャパシタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device including a plurality of pixels.
[0002]
[Prior art]
The solid-state imaging device is not only small, lightweight, and has low power consumption, but also has no image distortion or image sticking, and is resistant to environmental conditions such as vibration and magnetic field. In addition, since it can be manufactured through a process common to LSI (Large Scale Integrated circuit) or a similar process, it is highly reliable and suitable for mass production. For this reason, solid-state imaging devices in which pixels are arranged in a line are widely used for facsimiles and flatbed scanners, and solid-state imaging devices in which pixels are arranged in a matrix are widely used for video cameras and digital cameras. By the way, such a solid-state imaging device is roughly classified into a CCD type and a MOS type by means for reading (extracting) the photocharge generated in the photoelectric conversion element. The CCD type is designed to transfer photocharges while accumulating them in a potential well, and has a drawback that the dynamic range is narrow. On the other hand, in the MOS type, the charge accumulated in the pn junction capacitance of the photodiode is read out through the MOS transistor.
[0003]
Here, the configuration per pixel of the conventional MOS type solid-state imaging device will be described with reference to FIG. In the figure, PD is a photodiode, and its cathode is connected to the gate of the MOS transistor T1 and the drain of the MOS transistor T2. The source of the MOS transistor T1 is connected to the drain of the MOS transistor T3, and the source of the MOS transistor T3 is connected to the output signal line Vout. A DC voltage VPD is applied to the drain of the MOS transistor T1, and a DC voltage VPS is applied to the source of the MOS transistor T2 and the anode of the photodiode.
[0004]
When light enters the photodiode PD, photocharge is generated, and the charge is accumulated in the gate of the MOS transistor T1. Here, when a pulse φV is applied to the gate of the MOS transistor T3 to turn on the MOS transistor T3, a current proportional to the charge of the gate of the MOS transistor T1 is led to the output signal line Vout through the MOS transistors T1 and T3. In this way, an output current proportional to the amount of incident light can be read. After the signal is read, the MOS transistor T3 is turned off, and the gate voltage of the MOS transistor T1 can be initialized by applying the signal φRS to the gate of the MOS transistor T2 to turn on the MOS transistor T2.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional MOS type solid-state imaging device reads out the photocharge generated by the photodiode in each pixel and accumulated in the gate of the MOS transistor as it is, so that the dynamic range is narrow, and therefore the exposure amount is precisely controlled. Moreover, even if the exposure amount was controlled precisely, the dark part was crushed black or the bright part was saturated. On the other hand, the applicant of the present invention has a photosensitive means that can generate a photocurrent according to the amount of incident light, a MOS transistor that inputs the photocurrent, and a bias means that biases the MOS transistor to a state in which a subthreshold current can flow. And a solid-state image pickup device in which the photocurrent is logarithmically converted has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-192964).
[0006]
When the solid-state imaging device performs an imaging operation and then resets to the original state, each pixel has a MOS current (referred to as a “reset current”) having a reverse polarity to the photocurrent up to the low luminance state. Since it easily flows into the transistor, the photocharges charged in the MOS transistor are recombined and reset at high speed. However, when each pixel is in a low luminance region, the reset current hardly flows due to the influence of the threshold voltage of the MOS transistor. Therefore, the photocharges charged in the MOS transistor are difficult to be recombined, so that resetting takes time. As described above, since the responsiveness of each pixel is deteriorated in the low luminance region, there is a problem that afterimages are easily generated when the imaging operation is performed again.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and can capture a subject in a wide luminance range from a high luminance region to a low luminance region with high definition, and each pixel can be rapidly operated even in the low luminance region. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device with good responsiveness that is reset to a basic state.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve the above objectiveClaim1The solid-state imaging storage includes a photoelectric conversion unit that generates an output signal that is a natural number converted with respect to an incident light amount, and a lead-out path that derives the output signal of the photoelectric conversion unit to an output signal line. In the solid-state imaging device having a plurality of pixels, the photoelectric conversion means includes a photoelectric conversion element in which a DC voltage is applied to the first electrode, a first electrode, a second electrode, and a control electrode. The electrode is connected to the second electrode of the photoelectric conversion element, and includes a first transistor into which an output current from the photoelectric conversion element flows, a first electrode, a second electrode, and a control electrode, and a DC voltage is applied to the first electrode. And a control electrode is connected to the first electrode and the control electrode of the first transistor, and the second transistor outputs an electrical signal from the second electrode, and the second transistor of the first transistor electrode A first voltage is applied, the first transistor is operated in a subthreshold region below a threshold value to perform imaging, a second voltage is applied to the second electrode of the first transistor, and the first transistor is applied to the first transistor. The reset is performed such that a larger current can flow than before the second voltage is applied.
[0010]
  Claim2The solid-state imaging device according to claim1In the solid-state imaging device according to item 1, the pixels are arranged in a matrix.
[0011]
  Claim3The solid-state imaging device according to claim 1.OrClaim2The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: an integrating circuit that integrates an electric signal output from the photoelectric conversion unit, and deriving the signal integrated by the integrating circuit to the output signal line through the deriving path. Features.
[0012]
  According to such a configuration, since the output signal from each pixel is integrated by the integration circuit, the fluctuation component of the light source and high-frequency noise included in the output signal are absorbed and removed by the integration circuit. Claims4As described in (1), after the integrated signal is output to the output signal line, by providing a reset unit that discharges the charge of the integration circuit, initialization can be performed after each pixel performs output. . The reset means is claimed in claim5To change the level of the voltage applied to the control electrode of the transistor by providing a transistor having a first electrode, a second electrode, and a control electrode, the first electrode being connected to the integrating circuit. Then, the transistor can be made conductive to discharge the charge accumulated in the integrating circuit.
[0013]
  Claim6The solid-state imaging device according to claim1Or claim2In the solid-state imaging device according to claim 1, each of the pixels includes an amplifying transistor that amplifies an output signal of the photoelectric conversion unit, and the output signal line of the amplifying transistor is output to the output signal line via the derivation path. It is characterized by being output to.
[0014]
  According to such a solid-state imaging device, the output signal is amplified by the amplifying transistor and output with a sufficient magnitude, so that the imaging signal has a high sensitivity. In such a solid-state imaging device, the claim7As described above, a load resistor or a constant current source in which the total number connected to the output signal line is smaller than the total number of pixels may be provided.
[0015]
  Claimed as load resistance or constant current source8As described above, the transistor may be a resistance transistor having a first electrode connected to the output signal line, a second electrode connected to a DC voltage, and a control electrode connected to the DC voltage. Further, when the amplifying transistor is an N-channel MOS transistor,9As described above, the DC voltage applied to the first electrode of the amplifying transistor may be higher than the DC voltage connected to the second electrode of the resistance transistor. If the amplifying transistor is a P-channel MOS transistor,10As described above, the DC voltage applied to the first electrode of the amplifying transistor may be lower than the DC voltage connected to the second electrode of the resistance transistor. Further, as the lead-out path, the claim11As described above, a switch including a switch that sequentially selects a predetermined one from all the pixels and derives a signal amplified from the selected pixel to an output signal line may be used.
[0016]
  Claim12The solid-state imaging device described in the above is a solid-state imaging device having a plurality of pixels, each pixel including a photodiode, a first MOS transistor in which a first electrode and a gate electrode are connected to one electrode of the photodiode, A first MOS transistor having a first MOS transistor and a second MOS transistor having a gate electrode connected to the gate electrode. When the pixel is caused to perform an imaging operation, the electrical signal output from the photodiode is converted to a natural logarithm. As described above, when resetting the pixel by applying a first voltage to the second electrode of the first MOS transistor to operate the first MOS transistor in a subthreshold region equal to or lower than a threshold, The second voltage is applied to the two electrodes, and is larger than before the second voltage is applied to the first transistor. Characterized by such a current can flow.
[0017]
  Claims13In the fourth MOS transistor, the first electrode is connected to the second electrode of the second MOS transistor, the second electrode is connected to the output signal line, and the gate electrode is connected to the row selection line. May be provided. Claims14The DC voltage is applied to the first electrode of the pixel, the gate electrode is connected to the second electrode of the second MOS transistor, and the second electrode of the second MOS transistor is connected to the pixel. A third MOS transistor for amplifying the output signal to be output may be provided.
[0018]
  Claim15The solid-state imaging device according to claim 15, wherein in the solid-state imaging device according to claim 15, the pixel has a first electrode connected to a second electrode of the third MOS transistor, a second electrode connected to an output signal line, and a gate. It has a fourth MOS transistor whose electrode is connected to a row selection line.
[0019]
  Claim16The solid-state imaging device according to claim14Or claim15In the solid-state imaging device according to claim 1, when the pixel has one end connected to the second electrode of the second MOS transistor and the second MOS transistor is turned on when a reset voltage is applied to the first electrode of the second MOS transistor. It has the capacitor reset via this.
[0020]
  Claim17The solid-state imaging device according to claim14Or claim15In the solid-state imaging device according to claim 1, a direct current voltage is applied to the first electrode of the third MOS transistor, the first electrode is connected to the second electrode of the second MOS transistor, and the direct current voltage is applied to the second electrode. Is applied to the second MOS transistor and the second electrode of the second MOS transistor, and is reset via the fifth MOS transistor when a reset voltage is applied to the gate electrode of the fifth MOS transistor. And a capacitor.
[0021]
  Claim18The solid-state imaging device according to claim12~ Claim17The solid-state imaging device according to any one of the above, further includes a load resistor connected to the pixel via the output signal line or a MOS transistor forming a constant current source.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<First Example of Pixel Configuration>
Hereinafter, embodiments of the solid-state imaging device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a partial configuration of a two-dimensional MOS solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. In the drawing, G11 to Gmn indicate pixels arranged in a matrix (matrix arrangement). Reference numeral 2 denotes a vertical scanning circuit, which sequentially scans rows (lines) 4-1, 4-2, ..., 4-n. A horizontal scanning circuit 3 sequentially reads out photoelectric conversion signals derived from the pixels to the output signal lines 6-1, 6-2, ..., 6-m in the horizontal direction for each pixel. Reference numeral 5 denotes a power supply line. For each pixel, not only the lines 4-1, 4-2,..., 4-n, output signal lines 6-1, 6-2,. (For example, a clock line and a bias supply line) are also connected. However, these are omitted in FIG. 1 and are shown in the first embodiment shown in FIG.
[0023]
As shown in the figure, one N-channel MOS transistor Q2 is provided for each of the output signal lines 6-1, 6-2,. The drain of the MOS transistor Q2 is connected to the output signal line 6-1, the source is connected to the final signal line 9, and the gate is connected to the horizontal scanning circuit 3. As will be described later, an N-channel third MOS transistor T3 for switching is also provided in each pixel. Here, the MOS transistor T3 is for selecting a row, and the MOS transistor Q2 is for selecting a column.
[0024]
<First Embodiment>
A first embodiment (FIG. 2) applied to each pixel of the first example of the pixel configuration shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings.
[0025]
In FIG. 2, a pn photodiode PD forms a photosensitive portion (photoelectric conversion portion). The anode of the photodiode PD is connected to the gate and drain of the first MOS transistor T1 and the gate of the second MOS transistor T2. The source of the MOS transistor T2 is connected to the drain of the third MOS transistor T3 for row selection. The source of the MOS transistor T3 is connected to the output signal line 6 (the output signal line 6 corresponds to 6-1, 6-2,..., 6-m in FIG. 1). Each of the MOS transistors T1 to T3 is an N-channel MOS transistor and the back gate is grounded.
[0026]
A DC voltage VPD is applied to the cathode of the photodiode PD. On the other hand, the signal φVPS is input to the source of the MOS transistor T1, and one end of a capacitor C to which the DC voltage VPS is applied is connected to the other end of the MOS transistor T2. A signal φD is input to the drain of the MOS transistor T2, and a signal φV is input to the gate of the MOS transistor T3. The signal φVPS is a binary voltage signal. The voltage for operating the MOS transistor T1 in the subthreshold region at a voltage substantially equal to the DC voltage VPS is set to a high level, and the MOS transistor T1 is made conductive lower than this voltage. The voltage to make the state low level.
[0027]
(1) About the operation | movement which converts the incident light to each pixel into an electrical signal
In the pixel having the circuit configuration as shown in FIG. 2, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T1 is set to the high level so that the MOS transistor T1 operates in the subthreshold region. At this time, when light enters the photodiode PD, a photocurrent is generated. Due to the subthreshold characteristic of the MOS transistor, a voltage having a value obtained by natural logarithm conversion of the photocurrent is generated at the gates of the MOS transistors T1 and T2. This voltage causes a current to flow through the MOS transistor T2, and the capacitor C stores a charge equivalent to a value obtained by natural logarithmically converting the integrated value of the photocurrent. That is, a voltage proportional to a value obtained by natural logarithmically converting the integrated value of the photocurrent is generated at the connection node a between the capacitor C and the source of the MOS transistor T2. However, at this time, the MOS transistor T3 is in an OFF state.
[0028]
Next, when the pulse signal φV is applied to the gate of the MOS transistor T3 and the MOS transistor T3 is turned on, the charge accumulated in the capacitor C is led to the output signal line 6 as an output current. The current derived to the output signal line 6 is a value obtained by natural logarithmically converting the integrated value of the photocurrent. In this way, a signal (output current) proportional to the logarithmic value of the incident light quantity can be read. Further, after the signal is read, the MOS transistor T3 is turned off.
[0029]
(2) Reset operation of each pixel
Hereinafter, the reset operation of the pixel having the circuit configuration as shown in FIG. 2 will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a timing chart of signals given to the signal lines connected to the elements in the pixel when the reset operation is performed. FIG. 4 is a diagram showing a potential state of the photodiode PD and the MOS transistor T1 when each pixel is reset. 4A is a cross-sectional view showing the structure of the photodiode PD and the MOS transistor T1, and FIGS. 4B to 4E are parts corresponding to the cross-sectional view of FIG. 4A. FIG. In FIGS. 4B to 4E, the direction of the arrow indicates that the potential is high.
[0030]
Incidentally, in the photodiode PD, for example, as shown in FIG. 4A, an N-type well layer 11 is formed on a P-type semiconductor substrate (hereinafter referred to as “P-type substrate”) 10 and the N-type well layer 11 is formed. The well layer 11 is formed by providing a P-type diffusion layer 12. In the MOS transistor T1, N-type diffusion layers 13 and 14 are formed on the P-type substrate 10, and an oxide film 15 and a polysilicon layer 16 are sequentially formed on the channel between the N-type diffusion layers 13 and 14. It is composed by doing. Here, the N-type well layer 11 forms the cathode side of the photodiode PD, and the P-type diffusion layer 12 forms the anode side. The N-type diffusion layers 13 and 14 form the drain and source of the MOS transistor T1, respectively, and the oxide film 15 and the polysilicon layer 16 form the gate insulating film and the gate electrode, respectively. Here, in the P-type substrate 10, a region between the N-type diffusion layers 13 and 14 is referred to as an under-gate region.
[0031]
As described in (1), by applying a pulse φV to the gate of the MOS transistor T3, an electrical signal (output signal) logarithmically converted with respect to incident light is output from each pixel having a circuit configuration as shown in FIG. It is output to the signal line 6. When the output signal is output in this way and the pulse φV becomes low level, the reset operation starts. This reset operation will be described with reference to FIGS.
[0032]
First, after the pulse signal φV is applied to the gate of the transistor T3 and the output signal is output, the reset operation starts. That is, negative charges flow from the source side of the MOS transistor T1, and the positive charges accumulated in the gate and drain of the MOS transistor T1, the gate of the MOS transistor T2, and the anode of the photodiode PD are recombined. Therefore, as shown in FIG. 4B, the potential is reset to a certain extent, and the potential of the drain and lower gate region of the MOS transistor T1 is lowered.
[0033]
As described above, the potential of the drain and gate region of the MOS transistor T1 is to be reset to the original state. However, when the potential reaches a certain value, the reset speed is reduced. This tendency is particularly noticeable when a bright subject suddenly becomes dark. Therefore, next, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T1 is set to the low level. Thus, by lowering the source voltage of the MOS transistor T1, the potential of the MOS transistor T1 changes as shown in FIG. Therefore, the amount of negative charge flowing in from the source of the MOS transistor T1 increases, and the positive charge accumulated in the gate and drain of the MOS transistor T1, the gate of the MOS transistor T2, and the anode of the photodiode PD is quickly regenerated. Combined.
[0034]
Therefore, as shown in FIG. 4D, the potential of the drain and under-gate region of the MOS transistor T1 is lower than that in the state of FIG. 4C. When the potential of the MOS transistor T1 changes as shown in FIG. 4D, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T1 is set to the high level. Therefore, the potential state of the MOS transistor T1 is reset to the original state as shown in FIG. As described above, after resetting the potential state of the MOS transistor T1 to the original state, the voltage of the signal φD is set to the low level, the capacitor C is discharged, and the potential of the connection node a is reset to the original state. Thereafter, the voltage of the signal φD is returned to a high level so that an imaging operation can be performed.
[0035]
In this way, the responsiveness of each pixel of the solid-state imaging device is improved by performing a reset by manipulating the potential applied to the source of the MOS transistor T1 whose drain is electrically connected to the photodiode PD which is a photosensitive element. The Therefore, even when a dark subject is imaged or when a bright subject suddenly becomes dark, the occurrence of an afterimage can be prevented and good imaging can be performed.
[0036]
Note that signal readout from each pixel may be performed using a charge coupled device (CCD). In this case, it is only necessary to read out charges to the CCD by providing a potential barrier with a variable potential level corresponding to the MOS transistor T3 in FIG.
[0037]
<Second Example of Pixel Configuration>
FIG. 5 schematically shows a configuration of a part of a two-dimensional MOS solid-state imaging device according to another embodiment of the present invention. In the drawing, G11 to Gmn indicate pixels arranged in a matrix (matrix arrangement). Reference numeral 2 denotes a vertical scanning circuit, which sequentially scans rows (lines) 4-1, 4-2, ..., 4-n. A horizontal scanning circuit 3 sequentially reads out photoelectric conversion signals derived from the pixels to the output signal lines 6-1, 6-2, ..., 6-m in the horizontal direction for each pixel. Reference numeral 5 denotes a power supply line. For each pixel, not only the lines 4-1, 4-2,..., 4-n, output signal lines 6-1, 6-2,. (For example, a clock line, a bias supply line, and the like) are also connected. However, these are omitted in FIG. 5 and are shown in the embodiments from FIG.
[0038]
One set of N-channel MOS transistors Q1, Q2 is provided for each of the output signal lines 6-1, 6-2,. The MOS transistor Q1 has a gate connected to the DC voltage line 7, a drain connected to the output signal line 6-1 and a source connected to the line 8 of the DC voltage VPS '. On the other hand, the drain of the MOS transistor Q2 is connected to the output signal line 6-1, the source is connected to the final signal line 9, and the gate is connected to the horizontal scanning circuit 3.
[0039]
As will be described later, the pixels G11 to Gmn are provided with an N-channel MOS transistor Ta that outputs a signal based on the photocharge generated in these pixels. The connection relationship between the MOS transistor Ta and the MOS transistor Q1 is as shown in FIG. The MOS transistor Ta corresponds to the fourth MOS transistor T4 in the second and third embodiments, and corresponds to the second MOS transistor T2 in the fourth embodiment. Here, the relationship between the DC voltage VPS ′ connected to the source of the MOS transistor Q1 and the DC voltage VPD ′ connected to the drain of the MOS transistor Ta is VPD ′> VPS ′, and the DC voltage VPS ′ is, for example, the ground Voltage (ground). In this circuit configuration, a signal is input to the gate of the upper MOS transistor Ta, and a DC voltage DC is constantly applied to the gate of the lower MOS transistor Q1. Therefore, the lower MOS transistor Q1 is equivalent to a resistor or a constant current source, and the circuit of FIG. 6A is a source follower type amplifier circuit. In this case, it may be considered that the current amplified from the MOS transistor Ta is a current.
[0040]
The MOS transistor Q2 is controlled by the horizontal scanning circuit 3 and operates as a switch element. As will be described later, an N-channel third MOS transistor T3 for switching is also provided in the pixel of each of the embodiments from FIG. Including this MOS transistor T3, the circuit of FIG. 6A is exactly as shown in FIG. 6B. That is, the MOS transistor T3 is inserted between the MOS transistor Q1 and the MOS transistor Ta. Here, the MOS transistor T3 is for selecting a row, and the MOS transistor Q2 is for selecting a column. The configurations shown in FIGS. 5 and 6 are common to the second to fourth embodiments described below.
[0041]
By configuring as shown in FIG. 6, a large signal can be output. Therefore, when the pixel naturally converts the photocurrent generated from the photosensitive element to expand the dynamic range, the output signal is small as it is, but is amplified to a sufficiently large signal by this amplifier circuit. Therefore, the subsequent signal processing circuit (not shown) can be easily processed. Further, without providing the MOS transistor Q1 constituting the load resistance portion of the amplifier circuit in the pixel, the output signal lines 6-1, 6-2,... To which a plurality of pixels arranged in the column direction are connected. By providing every 6-m, the number of load resistors or constant current sources can be reduced, and the area occupied by the amplifier circuit on the semiconductor chip can be reduced.
[0042]
<Second Embodiment>
A second embodiment applied to each pixel of the second example of the pixel configuration shown in FIG. 5 will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a pixel provided in the solid-state imaging device used in the present embodiment. Note that elements and signal lines used for the same purpose as those of the pixel shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0043]
As shown in FIG. 7, in this embodiment, the pixel shown in FIG. 2 includes a fourth MOS transistor T4 whose gate is connected to the connection node a and performs current amplification according to the voltage of the connection node a, and the potential of the connection node a. The fifth MOS transistor T5 that performs initialization is added. The source of the MOS transistor T4 is connected to the drain of the MOS transistor T3, and the source of the MOS transistor T3 is the output signal line 6 (the output signal line 6 is 6-1, 6-2,... Corresponding to -m). The MOS transistors T4 and T5 are also N-channel MOS transistors, and the back gates are grounded, similarly to the MOS transistors T1 to T3.
[0044]
The DC voltage VPD is applied to the drain of the MOS transistor T4, and the signal φV is input to the gate of the MOS transistor T3. Further, the DC voltage VRB is applied to the source of the MOS transistor T5, and the signal φVRS is input to the gate thereof. Further, a DC voltage VPD is applied to the drain of the MOS transistor T2. In the present embodiment, the MOS transistors T1 to T3 and the capacitor C perform the same operation as in the first embodiment (FIG. 2), and output an electric signal (output signal) obtained by logarithmically converting incident light. be able to.
[0045]
(1) About the operation | movement which converts the incident light to each pixel into an electrical signal
In this embodiment, the voltage value of the signal φVPS is set to the high level, and the MOS transistor T1 is operated in the subthreshold region, so that the light output from the photodiode PD according to the incident light as in the first embodiment. An output signal obtained by natural logarithm conversion with respect to the current can be output to the output signal line 6. Hereinafter, the operation of each element in the pixel shown in FIG. 7 when outputting an output signal obtained by natural-logarithmically converting the photocurrent will be described.
[0046]
When light enters the photodiode PD, a photocurrent is generated. Due to the subthreshold characteristic of the MOS transistor, a voltage having a value obtained by natural logarithm conversion of the photocurrent is generated at the gates of the MOS transistors T1 and T2. This voltage causes a current to flow through the MOS transistor T2, and the capacitor C stores a charge equivalent to a value obtained by natural logarithmically converting the integrated value of the photocurrent. That is, a voltage proportional to a value obtained by natural logarithmically converting the integrated value of the photocurrent is generated at the connection node a between the capacitor C and the source of the MOS transistor T2. However, at this time, the MOS transistors T3 and T5 are in the OFF state.
[0047]
Next, when a pulse signal φV is applied to the gate of the MOS transistor T3 and the MOS transistor T3 is turned on, a current proportional to the voltage applied to the gate of the MOS transistor T4 passes through the MOS transistors T3 and T4 to the output signal line 6. Derived. Since the voltage applied to the gate of the MOS transistor T4 is the voltage applied to the connection node a, the current derived to the output signal line 6 is a value obtained by natural logarithmically converting the integrated value of the photocurrent. After reading a signal (output current) proportional to the logarithmic value of the incident light quantity in this way, the MOS transistor T3 is turned off.
[0048]
(2) Reset operation of each pixel
Hereinafter, the reset operation of the pixel having the circuit configuration as shown in FIG. 7 will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a timing chart of signals given to each signal line connected to each element in the pixel when performing the reset operation. As described in (1), by applying a pulse φV to the gate of the MOS transistor T3, an electric signal (output signal) obtained by logarithmically converting the incident light by each pixel having a circuit configuration as shown in FIG. Output to line 6. When the output signal is output in this way and the pulse φV becomes low level, the reset operation starts. Further, the potential state of the MOS transistor T1 when the pixel of this embodiment is reset is as shown in FIGS. 4B to 4E, as in the first embodiment. Therefore, the reset operation will be described with reference to FIGS.
[0049]
First, after the pulse signal φV is applied to the gate of the MOS transistor T3 and the output signal is output, the reset operation starts. Then, as in the first embodiment, negative charges flow from the source side of the MOS transistor T1, and the potential of the MOS transistor T1 becomes as shown in FIG. 4B.
[0050]
Next, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T1 is set to a low level, and the MOS transistor T1 is brought into a conducting state as shown in FIG. Therefore, the amount of negative charge flowing in from the source of the MOS transistor T1 increases, and the positive charge accumulated in the gate and drain of the MOS transistor T1, the gate of the MOS transistor T2, and the anode of the photodiode PD is quickly regenerated. Combined.
[0051]
Therefore, as shown in FIG. 4D, the potentials of the drain and under-gate regions of the MOS transistor T1 are lowered. When the potential of the MOS transistor T1 changes in this way, the signal φVPS given to the source of the MOS transistor T1 is set to the high level. Therefore, the potential state of the MOS transistor T1 is reset to the original state as shown in FIG. After resetting the potential state of the MOS transistor T1 to the original state in this way, the pulse signal φVRS is given to the gate of the MOS transistor T5, the capacitor C is discharged through the MOS transistor T5, and the potential of the connection node a is set to the original value. Reset to state.
[0052]
<Third Embodiment>
A third embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a pixel provided in the solid-state imaging device used in the present embodiment. Note that elements and signal lines used for the same purpose as the pixel shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0053]
As shown in FIG. 9, in the present embodiment, the potential of the capacitor C and the connection node a is initialized by giving a signal φD to the drain of the MOS transistor T2, thereby eliminating the MOS transistor T5. ing. Other configurations are the same as those of the second embodiment (FIG. 7). In the high level period of the signal φD, integration is performed by the capacitor C as in the first embodiment (FIG. 2). In the low level period, the charge of the capacitor C is discharged through the MOS transistor T2, and the capacitor C The voltage and the gate of the MOS transistor T4 become substantially the low level voltage of the signal φD (reset). In the present embodiment, the configuration is simplified because the MOS transistor T5 can be omitted.
[0054]
In this embodiment, when the imaging operation is performed, as in the second embodiment, the signal φVPS given to the source of the MOS transistor T1 is set to the high level so that the MOS transistor T1 operates in the subthreshold state. Further, the signal φD is set to the high level, and a charge equivalent to a value obtained by natural-logarithmically converting the integrated value of the photocurrent is accumulated in the capacitor C. Then, the MOS transistor T3 is turned on at a predetermined timing, and a current proportional to the voltage applied to the gate of the MOS transistor T4 is led to the output signal line 6 through the MOS transistors T3 and T4.
[0055]
When each pixel is reset, the signal is controlled at the timing shown in FIG. 3 as in the first embodiment. That is, first, as in the first embodiment, the reset operation starts after the pulse signal φV is given. Next, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T1 is set to a low level to turn on the MOS transistor T1, thereby increasing the amount of negative charge flowing from the source of the MOS transistor T1. Therefore, as in the first embodiment, the positive charges accumulated in the gate and drain of the MOS transistor T1, the gate of the MOS transistor T2, and the anode of the photodiode PD are quickly recombined.
[0056]
Then, the signal φVPS given to the source of the MOS transistor T1 is set to the high level, and the potential state of the MOS transistor T1 is reset to the original state. As described above, after resetting the potential state of the MOS transistor T1 to the original state, the voltage of the signal φD is set to the low level, the capacitor C is discharged, and the potential of the connection node a is reset to the original state. Thereafter, the voltage of the signal φD is returned to a high level so that an imaging operation can be performed.
[0057]
<Fourth Embodiment>
A fourth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a configuration of a pixel provided in the solid-state imaging device used in the present embodiment. Note that elements and signal lines used for the same purpose as those of the pixel shown in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0058]
As shown in FIG. 10, in this embodiment, the DC voltage VPD is applied to the drain of the MOS transistor T2, and the capacitor C and the MOS transistor T4 are omitted. That is, the drain of the MOS transistor T3 is connected to the source of the MOS transistor T2. Other configurations are the same as those of the third embodiment (FIG. 9).
[0059]
In the circuit having such a configuration, when the imaging operation is performed, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T1 is set to the high level so that the MOS transistor T1 operates in the subthreshold state, as in the third embodiment. To. By operating the MOS transistor T1 in this way, a drain current having a value proportional to the natural logarithm of the photocurrent flows through the MOS transistor T2.
[0060]
When the pulse signal φV is applied to the gate of the MOS transistor T3 to turn it on, a drain current having a value proportional to the natural logarithm of the photocurrent is derived to the output signal line 6 through the MOS transistor T3. At this time, the drain voltage of the MOS transistor Q1 determined by the resistance when the MOS transistor T2 and the MOS transistor Q1 (FIG. 5) are conductive and the current flowing therethrough appears on the output signal line 6 as a signal. After the signal is read in this way, the MOS transistor T3 is turned off.
[0061]
When resetting each pixel, as in the third embodiment, first, after the pulse signal φV is given, the reset operation starts. Next, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T1 is set to a low level to turn on the MOS transistor T1, thereby increasing the amount of negative charge flowing from the source of the MOS transistor T1.
[0062]
Therefore, as in the first embodiment, the positive charges accumulated in the gate and drain of the MOS transistor T1, the gate of the MOS transistor T2, and the anode of the photodiode PD are quickly recombined. Then, the signal φVPS given to the source of the MOS transistor T1 is set to the high level, and the potential state of the MOS transistor T1 is reset to the original state. As described above, the potential state of the MOS transistor T1 is reset to the original state, and the imaging operation can be performed again.
[0063]
In the present embodiment, unlike the third embodiment, since the optical signal is not once integrated by the capacitor C, the integration time is unnecessary, and the resetting of the capacitor C is unnecessary. Accordingly, the speed of signal processing can be increased. Further, in the present embodiment, compared to the third embodiment, the configuration can be further simplified and the pixel size can be reduced by the amount that the capacitor C and the MOS transistor T4 can be omitted.
[0064]
In the first to fourth embodiments described above, the MOS transistors T1 to T5, which are active elements in the pixel, are all constituted by N-channel MOS transistors. However, these MOS transistors T1 to T5 are all P-channel. Alternatively, the MOS transistor may be used. 12 and 15 to 17 show fifth to eighth embodiments which are examples in which the first to fourth embodiments are configured by P-channel MOS transistors. Therefore, in FIGS. 11 to 17, the polarity of the connection and the polarity of the applied voltage are reversed. For example, in FIG. 12 (fifth embodiment), the photodiode PD has an anode connected to the DC voltage VPD, a cathode connected to the drain of the first MOS transistor T1, and a gate connected to the gate of the second MOS transistor T2. . A signal φVPS is input to the source of the MOS transistor T1.
[0065]
By the way, when the pixel as shown in FIG. 12 performs logarithmic conversion, the DC voltage VPS and the DC voltage VPD satisfy VPS> VPD, which is the reverse of FIG. 2 (first embodiment). The output voltage of the capacitor C has a high initial value and drops due to integration. Further, when turning on the third MOS transistor T3, a low voltage is applied to the gate. Further, in the embodiment of FIG. 15 (sixth embodiment), when turning on the fifth MOS transistor T5, a low voltage is applied to the gate. As described above, when a P-channel MOS transistor is used as compared with the case where an N-channel MOS transistor is used, the voltage relationship and the connection relationship are partially different, but the configuration is substantially the same, and the basic Since the operations are the same, FIG. 12 and FIGS. 15 to 17 are only shown in the drawings, and descriptions of the configurations and operations are omitted.
[0066]
FIG. 11 shows a block circuit configuration diagram for explaining the overall configuration of the solid-state imaging device including the pixels of the fifth embodiment, and the overall configuration of the solid-state imaging device including the pixels of the sixth to eighth embodiments is described. FIG. 13 shows a block circuit configuration diagram for this purpose. About FIG.11 and FIG.13, the same code | symbol is attached | subjected to the same part (same role part) as FIG.1 and FIG.5, and description is abbreviate | omitted. The configuration of FIG. 13 will be briefly described below. P-channel MOS transistor Q1 and P-channel MOS transistor Q2 are connected to output signal lines 6-1, 6-2,..., 6-m arranged in the column direction. The MOS transistor Q1 has a gate connected to the DC voltage line 7, a drain connected to the output signal line 6-1 and a source connected to the line 8 of the DC voltage VPS '.
[0067]
On the other hand, the drain of the MOS transistor Q2 is connected to the output signal line 6-1, the source is connected to the final signal line 9, and the gate is connected to the horizontal scanning circuit 3. Here, the MOS transistor Q1 forms an amplifier circuit as shown in FIG. 14A together with the P-channel MOS transistor Ta in the pixel. The MOS transistor Ta corresponds to the fourth MOS transistor T4 in the sixth and seventh embodiments, and corresponds to the second MOS transistor T2 in the eighth embodiment.
[0068]
In this case, the MOS transistor Q1 is a load resistance or a constant current source of the MOS transistor Ta. Therefore, the relationship between the DC voltage VPS ′ connected to the source of the MOS transistor Q1 and the DC voltage VPD ′ connected to the drain of the MOS transistor Ta is VPD ′ <VPS ′, and the DC voltage VPD ′ is, for example, Ground voltage (ground). The drain of the MOS transistor Q1 is connected to the MOS transistor Ta, and a DC voltage is applied to the gate. The P-channel MOS transistor Q 2 is controlled by the horizontal scanning circuit 3 and leads the output of the amplifier circuit to the final signal line 9. Considering the third MOS transistor T3 provided in the pixel as in the sixth to eighth embodiments, the circuit of FIG. 14A is represented as shown in FIG. 14B.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the solid-state imaging device of the present invention, each pixel can be reset quickly, so that responsiveness at the time of imaging can be improved and when a low-luminance subject is imaged. The generated afterimage can be eliminated. Further, if the active element is composed of MOS transistors, high integration is facilitated, and it can be formed on a single chip together with peripheral processing circuits (A / D converter, digital system processor, memory) and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block circuit diagram for explaining an overall configuration of a two-dimensional solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of one pixel according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a timing chart of signals given to each element of a pixel used in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the configuration and potential of a pixel used in the present invention.
FIG. 5 is a block circuit diagram for explaining an overall configuration of a two-dimensional solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
6 is a circuit diagram of a part of FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of one pixel according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a timing chart of signals given to each element of a pixel used in the second embodiment.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of one pixel according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of one pixel according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a block circuit diagram for explaining the overall configuration of the two-dimensional solid-state imaging device of the present invention in the case where the active element in the pixel is configured by a P-channel MOS transistor.
FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of one pixel according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a block circuit diagram for explaining the entire configuration of the two-dimensional solid-state imaging device of the present invention in the case where the active element in the pixel is configured by a P-channel MOS transistor.
14 is a circuit diagram of a part of FIG.
FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of one pixel according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of one pixel according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a circuit diagram showing a configuration of one pixel according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a circuit diagram showing a configuration of one pixel of a conventional example.
[Explanation of symbols]
G11 to Gmn pixels
2 Vertical scanning circuit
3 Horizontal scanning circuit
4-1 to 4-n row selection line
6-1 to 6-m output signal line
7 DC voltage line
8 lines
9 Signal line
10 P-type semiconductor substrate
11 N-type well layer
12 P-type diffusion layer
13,14 N-type diffusion layer
15 Oxide film
16 Polysilicon
PD photodiode
T1 to T5 First to fifth MOS transistors
C capacitor

Claims (18)

入射した光量に対して自然体数的に変換した出力信号を発生する光電変換手段と、該光電変換手段の出力信号を出力信号線へ導出する導出路とを備えた複数の画素を有する固体撮像装置において、A solid-state imaging device having a plurality of pixels, including a photoelectric conversion unit that generates an output signal that is a natural number converted to the amount of incident light, and a lead-out path that leads the output signal of the photoelectric conversion unit to an output signal line In
前記光電変換手段が、The photoelectric conversion means is
第1電極に直流電圧が印加された光電変換素子と、A photoelectric conversion element in which a DC voltage is applied to the first electrode;
第1電極と第2電極と制御電極とを備え、第1電極及び制御電極が光電変換素子の第2電極に接続されるとともに、光電変換素子からの出力電流が流れ込む第1のトランジスタと、A first transistor comprising a first electrode, a second electrode, and a control electrode, wherein the first electrode and the control electrode are connected to the second electrode of the photoelectric conversion element, and an output current from the photoelectric conversion element flows;
第1電極と第2電極と制御電極とを備え、第1電極に直流電圧が印加されるとともに制御電極が前記第1のトランジスタの第1電極及び制御電極に接続され、第2電極から電気信号を出力する第2のトランジスタとから構成され、A first electrode; a second electrode; and a control electrode, wherein a DC voltage is applied to the first electrode, the control electrode is connected to the first electrode and the control electrode of the first transistor, and an electric signal is transmitted from the second electrode. And a second transistor that outputs
前記第1のトランジスタの第2電極に第1電圧を与えて、前記第1のトランジスタを閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させて撮像を行い、The first voltage is applied to the second electrode of the first transistor, the first transistor is operated in a subthreshold region below a threshold, and imaging is performed.
前記第1のトランジスタの第2電極に第2電圧を与えて、前記第1のトランジスタに前記第2電圧を与える前よりも大きい電流が流れ得るようにしてリセットを行うことを特徴とする固体撮像装置。Solid-state imaging characterized by applying a second voltage to the second electrode of the first transistor and performing a reset so that a larger current can flow than before applying the second voltage to the first transistor. apparatus.
前記画素が、マトリクス状に配設されることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixels are arranged in a matrix. 前記光電変換手段から出力される電気信号を積分する積分回路を有し、該積分回路で積分した信号を前記導出路を介して前記出力信号線へ導出することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の固体撮像装置。2. An integration circuit for integrating an electrical signal output from the photoelectric conversion means, and a signal integrated by the integration circuit is derived to the output signal line through the derivation path. Item 3. The solid-state imaging device according to Item 2. 前記積分した信号を前記出力信号線へ出力した後に、前記積分回路の電荷を放出するリセット手段を有することを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 3, further comprising a reset unit that discharges the charge of the integration circuit after outputting the integrated signal to the output signal line. 前記リセット手段が、第1電極と第2電極と制御電極とを備え、前記積分回路に第1電極が接続されたトランジスタで構成され、The reset means includes a transistor having a first electrode, a second electrode, and a control electrode, the first electrode being connected to the integrating circuit,
該トランジスタの制御電極に印加する電圧のレベルを変化して該トランジスタを導通させたとき、前記積分回路に蓄積された電荷が放出されることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein when the level of the voltage applied to the control electrode of the transistor is changed to make the transistor conductive, the charge accumulated in the integrating circuit is released.
前記各画素が、前記光電変換手段の出力信号を増幅する増幅用トランジスタを有しており、該増幅用トランジスタの出力信号を前記導出路を介して前記出力信号線へ出力することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の固体撮像装置。Each of the pixels has an amplifying transistor that amplifies the output signal of the photoelectric conversion means, and outputs the output signal of the amplifying transistor to the output signal line through the lead-out path. The solid-state imaging device according to claim 1 or 2. 前記出力信号線に接続された負荷抵抗又は定電流源を有し、前記負荷抵抗又は定電流源の総数が全画素数より少ないことを特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 6, further comprising a load resistor or a constant current source connected to the output signal line, wherein a total number of the load resistors or constant current sources is less than the total number of pixels. 前記負荷抵抗又は定電流源は、前記出力信号線に接続された第1電極と、直流電圧に接続された第2電極と、直流電圧に接続された制御電極とを有する抵抗用トランジスタであることを特徴とする請求項7に記載の固体撮像装置。The load resistance or constant current source is a resistance transistor having a first electrode connected to the output signal line, a second electrode connected to a DC voltage, and a control electrode connected to a DC voltage. The solid-state imaging device according to claim 7. 前記増幅用トランジスタがNチャネルのMOSトランジスタであり、前記増幅用トランジスタの第1電極に印加される直流電圧が、前記抵抗用トランジスタの第2電極に接続される直流電圧よりも高電位であることを特徴とする請求項8に記載の固体撮像装置。The amplifying transistor is an N-channel MOS transistor, and the DC voltage applied to the first electrode of the amplifying transistor is higher than the DC voltage connected to the second electrode of the resistance transistor. The solid-state imaging device according to claim 8. 前記増幅用トランジスタがPチャネルのMOSトランジスタであり、前記増幅用トランジスタの第1電極に印加される直流電圧が、前記抵抗用トランジスタの第2電極に接続される直流電圧よりも低電位であることを特徴とする請求項8に記載の固体撮像装置。The amplifying transistor is a P-channel MOS transistor, and the DC voltage applied to the first electrode of the amplifying transistor is lower than the DC voltage connected to the second electrode of the resistance transistor. The solid-state imaging device according to claim 8. 前記導出路は、全画素の中から所定のものを順次選択し、選択された画素の出力信号を出力信号線に導出するスイッチを含むことを特徴とする請求項1、請求項2、請求項6〜請求項10のいずれかに記載の固体撮像装置。3. The switch according to claim 1, wherein the derivation path includes a switch that sequentially selects a predetermined one from all the pixels and derives an output signal of the selected pixel to an output signal line. The solid-state imaging device according to any one of claims 6 to 10. 複数の画素を有する固体撮像装置において、In a solid-state imaging device having a plurality of pixels,
各画素が、Each pixel is
フォトダイオードと、A photodiode;
該フォトダイオードの一方の電極に第1電極とゲート電極が接続された第1MOSトランジスタと、A first MOS transistor having a first electrode and a gate electrode connected to one electrode of the photodiode;
該第1MOSトランジスタの第1電極及びゲート電極にゲート電極が接続された第2MOSトランジスタとを有し、A second MOS transistor having a gate electrode connected to the first electrode and the gate electrode of the first MOS transistor;
前記画素に撮像動作をさせるときは、前記フォトダイオードから出力される電気信号を自然対数的に変換するように、前記第1MOSトランジスタの第2電極に第1電圧を与えて、前記第1MOSトランジスタを閾値以下のサブスレッショルド領域で動作させ、When causing the pixel to perform an imaging operation, a first voltage is applied to the second electrode of the first MOS transistor so that an electric signal output from the photodiode is converted logarithmically, and the first MOS transistor is turned on. Operate in sub-threshold region below threshold,
前記画素のリセットを行うときは、前記第1MOSトランジスタの第2電極に第2電圧を与えて、前記第1のトランジスタに前記第2電圧を与える前よりも大きい電流が流れ得るようにすることを特徴とする固体撮像装置。When resetting the pixel, a second voltage is applied to the second electrode of the first MOS transistor so that a larger current can flow than before the second voltage is applied to the first transistor. A solid-state imaging device.
前記画素が、第1電極が前記第2MOSトランジスタの第2電極に接続され、第2電極が出力信号線に接続され、ゲート電極が行選択線に接続された第4MOSトランジスタを有することを特徴とする請求項12に記載の固体撮像装置。The pixel includes a fourth MOS transistor having a first electrode connected to a second electrode of the second MOS transistor, a second electrode connected to an output signal line, and a gate electrode connected to a row selection line. The solid-state imaging device according to claim 12. 前記画素が、第1電極に直流電圧が印加され、ゲート電極が前記第2MOSトランジスタの第2電極に接続されるとともに、前記第2MOSトランジスタの第2電極から出力される出力信号を増幅する第3MOSトランジスタを有することを特徴とする請求項12に記載の固体撮像装置。In the pixel, a DC voltage is applied to the first electrode, a gate electrode is connected to the second electrode of the second MOS transistor, and a third MOS that amplifies an output signal output from the second electrode of the second MOS transistor The solid-state imaging device according to claim 12, further comprising a transistor. 前記画素が、第1電極が前記第3MOSトランジスタの第2電極に接続され、第2電極が出力信号線に接続され、ゲート電極が行選択線に接続された第4MOSトランジスタを有することを特徴とする請求項14に記載の固体撮像装置。The pixel includes a fourth MOS transistor having a first electrode connected to a second electrode of the third MOS transistor, a second electrode connected to an output signal line, and a gate electrode connected to a row selection line. The solid-state imaging device according to claim 14. 前記画素が、前記第2MOSトランジスタの第2電極に一端が接続されるとともに、前記第2MOSトランジスタの第1電極にリセット電圧が与えられたときに前記第2MOSトランジスタを介してリセットされるキャパシタを有することを特徴とする請求項14又は請求項15に記載の固体撮像装置。The pixel includes a capacitor having one end connected to the second electrode of the second MOS transistor and being reset via the second MOS transistor when a reset voltage is applied to the first electrode of the second MOS transistor. The solid-state imaging device according to claim 14 or 15, 前記第2MOSトランジスタの第1電極に直流電圧が印加されるとともに、A DC voltage is applied to the first electrode of the second MOS transistor,
前記画素が、The pixel is
前記第2MOSトランジスタの第2電極に第1電極が接続され第2電極に直流電圧が印加された第5MOSトランジスタと、A fifth MOS transistor having a first electrode connected to the second electrode of the second MOS transistor and a DC voltage applied to the second electrode;
前記第2MOSトランジスタの第2電極に一端が接続されるとともに、前記第5MOSトランジスタのゲート電極にリセット電圧が与えられたときに前記第5MOSトランジスタを介してリセットされるキャパシタと、A capacitor having one end connected to the second electrode of the second MOS transistor and being reset via the fifth MOS transistor when a reset voltage is applied to the gate electrode of the fifth MOS transistor;
を有することを特徴とする請求項14又は請求項15に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 14, wherein the solid-state imaging device is provided.
前記画素に対し前記出力信号線を介して接続された負荷抵抗又は定電流源を成すMOSトランジスタを備えていることを特徴とする請求項12〜請求項17のいずれかに記載のThe MOS transistor which comprises the load resistance connected to the said pixel via the said output signal line, or a constant current source is provided.
固体撮像装置。Solid-state imaging device.
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