JP4355148B2 - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話用カメラなど、各種の機器に用いられるＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５および図６を参照して、従来のセンサ、およびその駆動方法を説明する。図５は、従来のセンサの回路図である。図５に示すセンサは、２×２のマトリックス状に配列された感光セル（破線で囲んだ部分）を備えている。各感光セルは、フォトダイオード５１、転送ゲート５２、フローティング拡散層部５３、増幅トランジスタ５４、リセットトランジスタ５５、およびアドレストランジスタ５６を含み、画像を構成する１つの画素に対応する。なお、以下では、説明を簡単にするために、感光セルは２×２のマトリックス状に配列されていると仮定するが、実際には、感光セルは行および列方向にそれぞれ数十から数千個配列される。
【０００３】
図５に示すセンサの駆動方法は、以下のとおりである。１行目の感光セルから信号を取り出すためには、まず、１行目の感光セルに含まれるアドレストランジスタ５６ａ、５６ｂが、垂直シフトレジスタ６１からＯＮ状態に制御される。次に、リセットトランジスタ５５ａ、５５ｂが、同様に、垂直シフトレジスタ６１からＯＮ状態に制御される。これにより、フローティング拡散層部５３ａ、５３ｂはリセットされる。このとき、増幅トランジスタ５４ａと負荷トランジスタ６３ｐとによってソースホロア回路が構成され、垂直信号線６２ｐ上にはこのソースホロア回路の出力が現れる。同様に、増幅トランジスタ５４ｂと負荷トランジスタ６３ｑとによってソースホロア回路が構成され、垂直信号線６２ｑ上にもソースホロア回路の出力が現れる。このとき垂直信号線６２ｐ、６２ｑ上に現れる電圧は、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積された信号電荷とは無関係な雑音電圧である。次に、転送ゲート５２ａ、５２ｂが、垂直シフトレジスタ６１からＯＮ状態に制御される。これにより、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積された信号電荷がフローティング拡散層部５３ａ、５３ｂに転送され、垂直信号線６２ｐ、６２ｑ上には、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積されていた信号電荷に対応する信号電圧が現れる。
【０００４】
クランプ容量６４ｐ、６４ｑ、クランプトランジスタ６５ｐ、６５ｑ、サンプルホールドトランジスタ６６ｐ、６６ｑ、およびサンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑは、雑音抑圧回路を構成する。この雑音抑圧回路は、フローティング拡散層部５３に信号電荷があるときの画素出力（すなわち、信号出力）と、信号電荷がないときの画素出力（すなわち、雑音出力）との差を求める。図５に示すセンサでは、主として、増幅トランジスタ５４の閾値電圧のばらつきによる雑音と、リセットトランジスタ５５の熱雑音であるｋＴＣ雑音とが発生する。垂直信号線６２ｐ、６２ｑ上に雑音出力が現れているときに、クランプトランジスタ６５ｐ、６５ｑとサンプルホールドトランジスタ６６ｐ、６６ｑとは、制御端子７４、７５からＯＮ状態に制御され、サンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑにはクランプ電圧供給端子７３から雑音のないクランプ電圧が印加される。所定の時間が経過した後、クランプトランジスタ６５ｐ、６５ｑは、制御端子７４からＯＦＦ状態に制御される。
【０００５】
次に、垂直信号線６２ｐ、６２ｑには、雑音のない信号電圧と雑音電圧の和に等しい電圧が現れる。垂直信号線６２ｐ、６２ｑは雑音電圧から信号電圧と雑音電圧との和に変化し、その変化分は雑音のない信号電圧に相当する。したがって、クランプ容量６４ｐ、６４ｑのサンプルホールド側電圧も、雑音のない信号電圧に相当する分だけ変化する。実際に、サンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑにかかる電圧は、雑音のないクランプ電圧から、垂直信号線６２ｐ、６２ｑの信号電圧変化分をクランプ容量とサンプルホールド容量で分圧した電圧分だけ変化する。よって、サンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑにかかる電圧は、雑音のないクランプ電圧と分圧された信号電圧とであり、雑音分が除去されている。サンプルホールドトランジスタ６６ｐ、６６ｑがＯＦＦ状態に制御された後、水平シフトレジスタ６９によって、水平トランジスタ６８ｐ、６８ｑが順次選択的にＯＮ状態に制御される。これにより、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子７０から順次出力される。
【０００６】
次に、２行目の感光セルから信号を取り出すために、２行目の感光セルについて、１行目の場合と同様の操作が行われる。これにより、フォトダイオード５１ｃ、５１ｄに蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子７０から順次出力される。
【０００７】
以上の動作をタイミングチャートで示すと、図６のようになる。図６において、フォトダイオード５１の１行分に蓄積されていた信号が最終的に出力端子７０から出力される期間を水平有効期間と呼び、フォトダイオード５１から信号を垂直信号線６２に出力し、出力した信号の雑音を抑圧する期間を水平ブランキング期間と呼ぶ。また、水平ブランキング期間と水平有効期間とを合わせて、１水平期間と呼ぶ。１水平期間は、実際に１行分の信号を読み出すために要する時間である。センサ全体から信号を読み出すために要する時間を１フレーム期間と呼ぶ。図６に示すように、フォトダイオード５１に蓄積される信号電荷の量は、転送ゲート５２に印加される転送パルスの時間間隔で定まる。また、転送パルスの時間間隔は、１フレーム期間で一定である。このため、フォトダイオード５１の感度は、一定になる。
【０００８】
図５に示すセンサでは、４個のトランジスタ（転送ゲート５２、増幅トランジスタ５４、リセットトランジスタ５５、およびアドレストランジスタ５６）によって、各感光セルが構成されている。これに対して、最近、センサの小型化のために、３個のトランジスタで各感光セルを構成したセンサが考案されている。この新しく考案されたセンサは、図５に示すセンサからアドレストランジスタ５６を除去した上で、感光セルの電源を共通化した構成を有している。このセンサから信号を読み出すためには、各感光セルにパルス状の電源電圧を供給する必要がある。
【０００９】
なお、図５に示すセンサの駆動方法は、例えば、特許文献１に記載されている。また、特許文献２には、フォトダイオードの１行分の信号を１水平期間内で平均的に出力するための駆動方法が記載されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２４７５３７号公報
【特許文献２】
特開平２００１−４５３７５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各感光セルを３個のトランジスタで構成したセンサには、電源をパルス駆動することに伴い、以下のような問題が発生する。第１に、電源がすべての感光セルに接続され、選択された感光セルだけでなくセンサ全体が駆動されるので、センサ全体の動作に影響が生じる。第２に、ハイレベル時の電源電圧はセンサの動作に影響を与えないが、ローレベル時の電源電圧が選択されていない感光セルの動作に影響を与える。第３に、電源をパルス駆動すること自体が、センサ全体に様々な影響を与える。
【００１２】
特に、上記第２の問題点について言えば、電源のローレベル電位が低くなりすぎると、このローレベル電位が、選択されていない感光セルのリセットトランジスタのローレベル電位以下になり、増幅トランジスタのゲート領域にまで達する場合がある。このとき、多数の増幅トランジスタが、一斉に動作してセンサ全体を駆動する。このため、水平ブランキング期間に大きな雑音が重畳され、信号処理が難しくなる。
【００１３】
また、電源のローレベル電位が選択されていない感光セルの転送ゲートのローレベル電位以下になると、電荷がフォトダイオードに注入され、各感光セルに注入される電荷の量にばらつきが生じる。このため、フォトダイオードから読み出す信号電荷にばらつきが生じ、再生画像に大きな雑音が現れる。
【００１４】
それ故に、本発明は、各感光セルを３個のトランジスタで構成したセンサから、雑音の少ない再生画像を読み出すための固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、半導体基板上に、光電変換手段、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷を転送する信号電荷転送手段、前記信号電荷転送手段を通じて転送された信号電荷を一時的に蓄積する信号電荷蓄積手段、前記信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を増幅する増幅手段、前記信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷をリセットする信号電荷排出手段からなる感光セルを列および行方向の２次元状に配列した感光領域と、
前記感光セルにパルス状の電源電圧を供給する電源ラインと、前記信号電荷転送手段および前記信号電荷排出手段を駆動する行選択手段とを少なくとも具備し、
前記電源ラインはすべての前記感光セルに含まれる前記増幅手段のドレインに共通して接続され、
前記感光領域から選択した１行分の前記感光セルから信号を取り出すために、
前記電源ラインに前記電源電圧として第１の電圧と当該第１の電圧より低い第２の電圧とを供給するステップと、
前記第１の電圧を与える期間に、選択された前記感光セルに備わる前記信号電荷排出手段と前記信号電荷転送手段にローレベル電圧とハイレベル電圧を印加し、前記増幅手段を動作状態とするステップと、
前記第２の電圧を与える期間に、選択された前記感光セルに備わる前記信号電荷排出手段にローレベル電圧とハイレベル電圧を印加し、前記増幅手段を非動作状態とするステップとを備え、
前記第２の電圧はゼロ電位より高い電位であり、
前記信号電荷排出手段はリセットトランジスタであり、前記リセットトランジスタのゲートにローレベル電圧を印加したときに前記リセットトランジスタのゲート下に形成されるチャネルの電位が前記第２の電圧より低いことを特徴とする。
このような第１の発明によれば、増幅トランジスタは、ゲート領域付近で動作することがなくなるので、多数の増幅トランジスタが一斉に動作してセンサ全体を駆動することがなくなる。したがって、水平ブランキング期間に大きな雑音が重畳され、信号処理が難しくなるという問題を解決することができる。
【００１７】
第２の発明は、前記信号電荷転送手段は転送トランジスタであり、前記信号電荷転送手段は前記信号電荷排出手段を介して前記電源電圧に接続され、前記転送トランジスタのゲートにローレベル電圧を印加したときに前記転送トランジスタのゲート下に形成されるチャネルの電位が前記第２の電圧より低いことを特徴とする。
このような第２の発明によれば、セルでは注入される電荷の量にばらつきが生じることがなくなる。したがって、再生画像に大きな雑音が現れることがなく、雑音の少ない再生画像を読み出すことができる。
【００１９】
第３の発明は、第１ないし第２の発明において、感光領域がｐ型基板上に形成されていることを特徴とする。
このような第３の発明によれば、ｐ型基板上に形成された感光領域を備えた固体撮像装置から、雑音の少ない再生画像を読み出すことができる。
【００２０】
第４の発明は、第１ないし第２の発明において、感光領域がｎ型基板上のｐ型ウェル内に形成されていることを特徴とする。
このような第４の発明によれば、ｎ型基板上のｐ型ウェル内に形成された感光領域を備えた固体撮像装置から、雑音の少ない再生画像を読み出すことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係るセンサの回路図である。図１に示すセンサは、ｍ×ｎのマトリックス状に配列された感光セル（破線で囲んだ部分）、電源ライン１０、垂直シフトレジスタ１１、ｎ本の垂直信号線１２−１〜ｎ、ｎ個の負荷トランジスタ１３−１〜ｎ、雑音抑圧回路１４、ｎ個の水平トランジスタ、および水平シフトレジスタ１６を備えている。各感光セルは、フォトダイオード１、転送ゲート２、フローティング拡散層部３、増幅トランジスタ４、およびリセットトランジスタ５を含んでいる。この感光セルは、３個のトランジスタ（転送ゲート２、増幅トランジスタ４、およびリセットトランジスタ５）を含み、アドレストランジスタを含まないことを特徴とする。実際のセンサにおけるｍおよびｎの値は、数十から数千程度である。
【００２２】
ｍ×ｎ個の感光セルは、半導体基板上に形成される。より詳細には、感光セルは、ｐ型基板上、または、ｎ型基板上のｐウェル（P-well）内に形成される。各感光セルにおいて、フォトダイオード１は、入射光を光電変換し、得られた信号電荷を蓄積する。転送ゲート２は、フォトダイオード１とフローティング拡散層部３との間に設けられ、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷をフローティング拡散層部３に転送する。フローティング拡散層部３は、フォトダイオード１から転送された信号電荷を一時的に蓄積する。増幅トランジスタ４は、フローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷を増幅する。リセットトランジスタ５は、フローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷をリセットする。
【００２３】
感光セルが配列された感光領域には、電源ライン１０および垂直信号線１２−１〜ｎに加えて、２組のｍ本の信号線１７−１〜ｍ、１８−１〜ｍが配線される。電源ライン１０は、増幅トランジスタ４のドレインに共通して接続される。本実施形態では、電源ライン１０は、すべての感光セルに含まれる増幅トランジスタ４およびリセットトランジスタ５のドレインに共通して接続され、電源ライン１０の他端にある電源供給端子２０から、すべての感光セルに対して、パルス状の電源電圧ＶｄｄＣが印加されるものとする。なお、図１では、すべての感光セルが１本の電源ライン１０に接続されているが、感光セルに共通した電源を供給するために、電源ラインを２本以上使用してもよい。
【００２４】
垂直信号線１２−１〜ｎは、感光セルの各列に対して設けられる。垂直信号線１２〜１〜ｎは、それぞれ、同じ列に配列された感光セルに含まれる増幅トランジスタ４および負荷トランジスタ１３−１〜ｎと、雑音抑圧回路１４とを接続する。信号線１７−１〜ｍ、１８−１〜ｍは、垂直シフトレジスタ１１の出力信号線であり、感光セルの各行に対して設けられる。信号線１７−１〜ｍは、それぞれ、同じ行に配列された感光セルに含まれる転送ゲート２のゲートを接続する。信号線１８−１〜ｍは、それぞれ、同じ行に配列された感光セルに含まれるリセットトランジスタ５のゲートを接続する。
【００２５】
垂直シフトレジスタ１１は、以下に示すように、垂直ドライバ回路として動作する。垂直シフトレジスタ１１は、電源ラインＶｄｄＣがハイレベルであるときに、同じ行に配列された感光セルに含まれる転送ゲート２を同時に駆動する。また、垂直シフトレジスタ１１は、電源ラインＶｄｄＣがハイレベルであるときに、転送ゲート２の駆動タイミングとは異なるタイミングで、同じ行に配列された感光セルに含まれるリセットトランジスタ５を同時に駆動する。負荷トランジスタ１３−１〜ｎは、それぞれ、垂直信号線１２−１〜ｎに接続され、行方向に並べて配列される。雑音抑圧回路１４は、垂直信号線１２−１〜ｎに接続され、増幅トランジスタ４から出力された信号を取り込み、取り込んだ信号の雑音成分を除去する。水平トランジスタ１５−１〜ｎは、行方向に並べて配列される。各水平トランジスタ１５−１〜ｎには、雑音抑圧回路１４から出力されたｎ本の信号がそれぞれ入力される。水平シフトレジスタ１６は、水平ドライバ回路として動作する。すなわち、水平シフトレジスタ１６は、水平トランジスタ１５−１〜ｎを順次選択的に動作させる。これにより、雑音抑圧回路１４から出力されたｎ本の信号は、出力端子２１から順次出力される。
【００２６】
図２は、雑音抑圧回路１４の詳細を説明するための図である。雑音抑圧回路１４は、図２（ａ）に示すように、ｎ個のサンプルホールドトランジスタ３１−１〜ｎ、ｎ個のクランプ容量３２−１〜ｎ、ｎ個のクランプトランジスタ３３−１〜ｎ、およびｎ個のサンプルホールド容量３４−１〜ｎを含んでいる。雑音抑圧回路１４は、図５に示した雑音抑圧回路とサンプルホールドトランジスタ３１−１〜ｎの位置が異なるが、図５に示した雑音抑圧回路とほぼ同様に動作する。サンプルホールドトランジスタ３１−１〜ｎのゲートには、制御端子２２から入力されるサンプルホールド制御信号が印加される。同様に、クランプトランジスタ３３−１〜ｎのゲートには、制御端子２３から入力されるクランプ制御信号が印加される。これら２本の制御信号は、図２（ｂ）に示すように変化する。２本の制御信号がともにハイレベルである期間が雑音出力期間となり、サンプルホールド制御信号がハイレベルで、クランプ制御信号がローレベルである期間が信号出力期間となる。
【００２７】
以下、図３に示すタイミングチャートを適宜参照しながら、図１に示すセンサの駆動方法を説明する。このセンサを駆動するためには、各水平期間ごとに、電源ライン１０をパルス駆動するステップと、垂直シフトレジスタ１１によって、ｍ×ｎ個のフォトダイオード１から１行分の信号を読み出すステップと、水平シフトレジスタ１６によって、読み出した１行分の信号を順次出力するステップとが実行される。
【００２８】
図３に示すように、初期状態では、電源電圧ＶｄｄＣはローレベルである。すなわち、初期状態では、電源ライン１０は駆動されていない。１行目の感光セルから信号を取り出すためには、まず、電源電圧ＶｄｄＣがハイレベルに制御される。これにより、すべての感光セルにおいて、転送ゲート２およびリセットトランジスタ５のドレインがハイレベルになる。次に、電源ライン１０が駆動されている間に、垂直シフトレジスタ１１が、信号線１８−１を所定の時間だけハイレベルにする。これにより、リセットトランジスタ５ａ、５ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるリセットトランジスタ５のゲート電位はハイレベルとなり、これらリセットトランジスタ５はＯＮ状態となる。このとき、増幅トランジスタ４ａ、４ｂを始め、１行目の感光セルに含まれる増幅トランジスタ４も動作状態となる。同時に、フローティング拡散層部３ａ、３ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるフローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷をリセットしたときの雑音出力が、垂直信号線１２−１〜ｎに現れる。
【００２９】
次に、電源ライン１０が駆動されている間に、垂直シフトレジスタ１１が、信号線１７−１を所定の時間だけハイレベルにする。これにより、転送ゲート２ａ、２ｂを始め、１行目の感光セルに含まれる転送ゲート２のゲート電位はハイレベルとなり、これら転送ゲート２はＯＮ状態となる。このとき、フォトダイオード１ａ、１ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるフォトダイオード１に蓄積されていた信号電荷は、各感光セルに含まれるフローティング拡散層部３に読み出され、読み出された信号電荷に対応した信号出力が、垂直信号線１２−１〜ｎに現れる。
【００３０】
このようにして、垂直信号線１２−１〜ｎには、雑音電圧が現れた後、信号電圧と雑音電圧との和が現れる。雑音抑圧回路１４は、従来の雑音抑圧回路と同様に動作し、垂直信号線１２−１〜ｎに出力された信号の雑音を抑圧する。雑音抑圧回路１４から出力されたｎ本の信号は、それぞれ、水平トランジスタ１５−１〜ｎに入力される。
【００３１】
雑音抑圧回路１４が動作した後、電源電圧ＶｄｄＣは、ローレベルに変化する。次に、電源ライン１０が駆動されていない間に、垂直シフトレジスタ１１が、信号線１８−１を所定の時間だけハイレベルにする。これにより、フローティング拡散層部３ａ、３ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるフローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷は、リセットされる。また、増幅トランジスタ４ａ、４ｂを始め、１行目の感光セルに含まれる増幅トランジスタ４は、次に選択されるまで非動作状態となる。
【００３２】
水平シフトレジスタ１６は、水平トランジスタ１５−１〜ｎのゲートに接続されるｎ本の出力信号を出力する。水平シフトレジスタ１６は、ｎ本の出力信号を選択的にハイレベルにすることにより、水平トランジスタ１５−１〜ｎを順次選択的にＯＮ状態に制御する。これにより、フォトダイオード１ａ、１ｂを始め、１行目のフォトダイオード１に蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子２１から順次出力される。
【００３３】
次に、２行目の感光セルから信号を取り出すために、２行目の感光セルについて、１行目の場合と同様の操作が行われる。これにより、フォトダイオード１ｃ、１ｄを始め、２行目の感光セルに蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子２１から順次出力される。以下、３行目からｍ行目の感光セルについても、同様の操作が行われる。なお、図３に示す水平ブランキング期間、水平有効期間、１水平期間、および１フレーム期間の定義、並びにフォトダイオード１の感度が一定になる点は、従来のセンサと同じである。
【００３４】
上記のようなセンサの駆動方法のうち、本実施形態では、電源電圧ＶｄｄＣのローレベル電位がゼロ電位より高い所定の電位であることを特徴とする駆動方法を考える。具体的には、電源電圧ＶｄｄＣのローレベル電位を、リセットトランジスタ５のローレベル印加時のチャネル電位より高くした駆動方法や、電源電圧ＶｄｄＣのローレベル電位を、転送ゲート２のローレベル印加時のチャネル電位より高くした駆動方法を考える。このような特徴を有する駆動方法によれば、従来の駆動方法よりも雑音の少ない再生画像が得られる。以下、図４を参照して、その理由を説明する。
【００３５】
図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１に示すセンサに含まれる感光セルの断面図および電位図である。図４（ａ）において、感光セルは、ｐ型基板上に形成されている。ｐ型基板と、その上に形成されたｎ型フォトダイオード層４１と、ｐ型基板の表面に形成されたｐ型表面層４２とは、フォトダイオード１を構成する。また、ｐ型基板上には、フォトダイオード１に加えて、フローティング拡散層部３とｎ型表面層４５とが形成される。その上で、電極４３を設けることにより転送ゲート２が形成され、電極４４を設けることによりリセットトランジスタ５が形成される。
【００３６】
上述したように、電源電圧ＶｄｄＣは、パルス状に変化する。ここでは、電源電圧ＶｄｄＣのハイレベル電位およびローレベル電位を、それぞれ、ＶｄｄＣ＿ＨおよびＶｄｄＣ＿Ｌと記す。ＶｄｄＣ＿Ｈの実際の値は、例えば、２．８Ｖである。リセットトランジスタ５のゲートには、０Ｖから２．８Ｖの範囲で変化する電圧が印加されるが、リセットトランジスタ５のゲートにローレベル電位（０Ｖ）を印加したときのチャネル電位をＲＳｃｈＬと記す。転送ゲート２のゲートにも０Ｖから２．８Ｖの範囲で変化する電圧が印加されるが、転送ゲート２のゲートにローレベル電位（０Ｖ）を印加したときのチャネル電位をＴＲｃｈＬと記す。これらの記法を用いれば、本実施形態では、
ＲＳｃｈＬ＜ＶｄｄＣ＿Ｌ …（１）
および／または
ＴＲｃｈＬ＜ＶｄｄＣ＿Ｌ …（２）
なる関係が成り立つように、電源電圧のローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌが制御される。
【００３７】
上式（１）の関係が成り立つローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌを使用すれば、増幅トランジスタ４は、ゲート領域付近で動作することがなくなる。このため、多数の増幅トランジスタ４が一斉に動作して、センサ全体を駆動するという現象が生じない。したがって、水平ブランキング期間に大きな雑音が重畳され、信号処理が難しくなるという問題を解決することができる。
【００３８】
また、上式（２）の関係が成り立つローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌを使用すれば、フォトダイオード１に注入される電荷のために、感光セルでは注入される電荷の量にばらつきが生じるという現象が生じない。このため、再生画像に大きな雑音が現れることがなく、美しい再生画像を読み出すことができる。
【００３９】
以上に示すように、上式（１）および／または（２）の関係が成り立つ電源電圧のローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌを用いることにより、センサ全体が駆動されることなく、各画素における電位が安定するので、雑音の少ない美しい再生画像を読み出すことができる。
【００４０】
なお、実際には、上式（１）および（２）に代えて、あるいは、上式（１）および／または（２）に加えて、電源電圧のローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌとして、フォトダイオードのチャネル電位より高い電位を使用してもよい。このような電位を使用した場合も、同様に、図１に示すセンサから、雑音の少ない再生画像を読み出すことができる。
【００４１】
また、本実施形態に係る駆動方法の適用対象となるセンサは、図４に示したように、ｐ型基板上に形成されたものであってもよく、ｎ型基板内のｐウェル上に形成されたものであってもよい。本実施形態に係る駆動方法は、いずれの方法で作成されたセンサにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサの回路図
【図２】本発明の実施形態に係るセンサの雑音抑圧回路の詳細を示す図
【図３】本発明の実施形態に係るセンサの駆動方法を示すタイミングチャート
【図４】本発明の実施形態に係るセンサの感光セルの断面図および電位図
【図５】従来のセンサの回路図
【図６】従来のセンサの駆動方法を示すタイミングチャート
【符号の説明】
１…フォトダイオード
２…転送ゲート
３…フローティング拡散層部
４…増幅トランジスタ
５…リセットトランジスタ
１０…電源ライン
１１…垂直シフトレジスタ
１２…垂直信号線
１３…負荷トランジスタ
１４…雑音抑圧回路
１５…水平トランジスタ
１６…水平シフトレジスタ
ＶｄｄＣ…電源電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話用カメラなど、各種の機器に用いられるＭＯＳ型固体撮像装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５および図６を参照して、従来のセンサ、およびその駆動方法を説明する。図５は、従来のセンサの回路図である。図５に示すセンサは、２×２のマトリックス状に配列された感光セル（破線で囲んだ部分）を備えている。各感光セルは、フォトダイオード５１、転送ゲート５２、フローティング拡散層部５３、増幅トランジスタ５４、リセットトランジスタ５５、およびアドレストランジスタ５６を含み、画像を構成する１つの画素に対応する。なお、以下では、説明を簡単にするために、感光セルは２×２のマトリックス状に配列されていると仮定するが、実際には、感光セルは行および列方向にそれぞれ数十から数千個配列される。
【０００３】
図５に示すセンサの駆動方法は、以下のとおりである。１行目の感光セルから信号を取り出すためには、まず、１行目の感光セルに含まれるアドレストランジスタ５６ａ、５６ｂが、垂直シフトレジスタ６１からＯＮ状態に制御される。次に、リセットトランジスタ５５ａ、５５ｂが、同様に、垂直シフトレジスタ６１からＯＮ状態に制御される。これにより、フローティング拡散層部５３ａ、５３ｂはリセットされる。このとき、増幅トランジスタ５４ａと負荷トランジスタ６３ｐとによってソースホロア回路が構成され、垂直信号線６２ｐ上にはこのソースホロア回路の出力が現れる。同様に、増幅トランジスタ５４ｂと負荷トランジスタ６３ｑとによってソースホロア回路が構成され、垂直信号線６２ｑ上にもソースホロア回路の出力が現れる。このとき垂直信号線６２ｐ、６２ｑ上に現れる電圧は、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積された信号電荷とは無関係な雑音電圧である。次に、転送ゲート５２ａ、５２ｂが、垂直シフトレジスタ６１からＯＮ状態に制御される。これにより、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積された信号電荷がフローティング拡散層部５３ａ、５３ｂに転送され、垂直信号線６２ｐ、６２ｑ上には、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積されていた信号電荷に対応する信号電圧が現れる。
【０００４】
クランプ容量６４ｐ、６４ｑ、クランプトランジスタ６５ｐ、６５ｑ、サンプルホールドトランジスタ６６ｐ、６６ｑ、およびサンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑは、雑音抑圧回路を構成する。この雑音抑圧回路は、フローティング拡散層部５３に信号電荷があるときの画素出力（すなわち、信号出力）と、信号電荷がないときの画素出力（すなわち、雑音出力）との差を求める。図５に示すセンサでは、主として、増幅トランジスタ５４の閾値電圧のばらつきによる雑音と、リセットトランジスタ５５の熱雑音であるｋＴＣ雑音とが発生する。垂直信号線６２ｐ、６２ｑ上に雑音出力が現れているときに、クランプトランジスタ６５ｐ、６５ｑとサンプルホールドトランジスタ６６ｐ、６６ｑとは、制御端子７４、７５からＯＮ状態に制御され、サンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑにはクランプ電圧供給端子７３から雑音のないクランプ電圧が印加される。所定の時間が経過した後、クランプトランジスタ６５ｐ、６５ｑは、制御端子７４からＯＦＦ状態に制御される。
【０００５】
次に、垂直信号線６２ｐ、６２ｑには、雑音のない信号電圧と雑音電圧の和に等しい電圧が現れる。垂直信号線６２ｐ、６２ｑは雑音電圧から信号電圧と雑音電圧との和に変化し、その変化分は雑音のない信号電圧に相当する。したがって、クランプ容量６４ｐ、６４ｑのサンプルホールド側電圧も、雑音のない信号電圧に相当する分だけ変化する。実際に、サンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑにかかる電圧は、雑音のないクランプ電圧から、垂直信号線６２ｐ、６２ｑの信号電圧変化分をクランプ容量とサンプルホールド容量で分圧した電圧分だけ変化する。よって、サンプルホールド容量６７ｐ、６７ｑにかかる電圧は、雑音のないクランプ電圧と分圧された信号電圧とであり、雑音分が除去されている。サンプルホールドトランジスタ６６ｐ、６６ｑがＯＦＦ状態に制御された後、水平シフトレジスタ６９によって、水平トランジスタ６８ｐ、６８ｑが順次選択的にＯＮ状態に制御される。これにより、フォトダイオード５１ａ、５１ｂに蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子７０から順次出力される。
【０００６】
次に、２行目の感光セルから信号を取り出すために、２行目の感光セルについて、１行目の場合と同様の操作が行われる。これにより、フォトダイオード５１ｃ、５１ｄに蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子７０から順次出力される。
【０００７】
以上の動作をタイミングチャートで示すと、図６のようになる。図６において、フォトダイオード５１の１行分に蓄積されていた信号が最終的に出力端子７０から出力される期間を水平有効期間と呼び、フォトダイオード５１から信号を垂直信号線６２に出力し、出力した信号の雑音を抑圧する期間を水平ブランキング期間と呼ぶ。また、水平ブランキング期間と水平有効期間とを合わせて、１水平期間と呼ぶ。１水平期間は、実際に１行分の信号を読み出すために要する時間である。センサ全体から信号を読み出すために要する時間を１フレーム期間と呼ぶ。図６に示すように、フォトダイオード５１に蓄積される信号電荷の量は、転送ゲート５２に印加される転送パルスの時間間隔で定まる。また、転送パルスの時間間隔は、１フレーム期間で一定である。このため、フォトダイオード５１の感度は、一定になる。
【０００８】
図５に示すセンサでは、４個のトランジスタ（転送ゲート５２、増幅トランジスタ５４、リセットトランジスタ５５、およびアドレストランジスタ５６）によって、各感光セルが構成されている。これに対して、最近、センサの小型化のために、３個のトランジスタで各感光セルを構成したセンサが考案されている。この新しく考案されたセンサは、図５に示すセンサからアドレストランジスタ５６を除去した上で、感光セルの電源を共通化した構成を有している。このセンサから信号を読み出すためには、各感光セルにパルス状の電源電圧を供給する必要がある。
【０００９】
なお、図５に示すセンサの駆動方法は、例えば、特許文献１に記載されている。また、特許文献２には、フォトダイオードの１行分の信号を１水平期間内で平均的に出力するための駆動方法が記載されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２４７５３７号公報
【特許文献２】
特開平２００１−４５３７５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各感光セルを３個のトランジスタで構成したセンサには、電源をパルス駆動することに伴い、以下のような問題が発生する。第１に、電源がすべての感光セルに接続され、選択された感光セルだけでなくセンサ全体が駆動されるので、センサ全体の動作に影響が生じる。第２に、ハイレベル時の電源電圧はセンサの動作に影響を与えないが、ローレベル時の電源電圧が選択されていない感光セルの動作に影響を与える。第３に、電源をパルス駆動すること自体が、センサ全体に様々な影響を与える。
【００１２】
特に、上記第２の問題点について言えば、電源のローレベル電位が低くなりすぎると、このローレベル電位が、選択されていない感光セルのリセットトランジスタのローレベル電位以下になり、増幅トランジスタのゲート領域にまで達する場合がある。このとき、多数の増幅トランジスタが、一斉に動作してセンサ全体を駆動する。このため、水平ブランキング期間に大きな雑音が重畳され、信号処理が難しくなる。
【００１３】
また、電源のローレベル電位が選択されていない感光セルの転送ゲートのローレベル電位以下になると、電荷がフォトダイオードに注入され、各感光セルに注入される電荷の量にばらつきが生じる。このため、フォトダイオードから読み出す信号電荷にばらつきが生じ、再生画像に大きな雑音が現れる。
【００１４】
それ故に、本発明は、各感光セルを３個のトランジスタで構成したセンサから、雑音の少ない再生画像を読み出すための固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、半導体基板上に、光電変換手段、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷を転送する信号電荷転送手段、前記信号電荷転送手段を通じて転送された信号電荷を一時的に蓄積する信号電荷蓄積手段、前記信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を増幅する増幅手段、前記信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷をリセットする信号電荷排出手段からなる感光セルを列および行方向の２次元状に配列した感光領域と、
前記感光セルにパルス状の電源電圧を供給する電源ラインと、前記信号電荷転送手段および前記信号電荷排出手段を駆動する行選択手段とを少なくとも具備し、
前記電源ラインはすべての前記感光セルに含まれる前記増幅手段のドレインに共通して接続され、
前記感光領域から選択した１行分の前記感光セルから信号を取り出すために、
前記電源ラインに前記電源電圧として第１の電圧と当該第１の電圧より低い第２の電圧とを供給するステップと、
前記第１の電圧を与える期間に、選択された前記感光セルに備わる前記信号電荷排出手段と前記信号電荷転送手段にローレベル電圧とハイレベル電圧を印加し、前記増幅手段を動作状態とするステップと、
前記第２の電圧を与える期間に、選択された前記感光セルに備わる前記信号電荷排出手段にローレベル電圧とハイレベル電圧を印加し、前記増幅手段を非動作状態とするステップとを備え、
前記第２の電圧はゼロ電位より高い電位であり、
前記信号電荷排出手段はリセットトランジスタであり、前記リセットトランジスタのゲートにローレベル電圧を印加したときに前記リセットトランジスタのゲート下に形成されるチャネルの電位が前記第２の電圧より低いことを特徴とする。
このような第１の発明によれば、増幅トランジスタは、ゲート領域付近で動作することがなくなるので、多数の増幅トランジスタが一斉に動作してセンサ全体を駆動することがなくなる。したがって、水平ブランキング期間に大きな雑音が重畳され、信号処理が難しくなるという問題を解決することができる。
【００１７】
第２の発明は、前記信号電荷転送手段は転送トランジスタであり、前記信号電荷転送手段は前記信号電荷排出手段を介して前記電源電圧に接続され、前記転送トランジスタのゲートにローレベル電圧を印加したときに前記転送トランジスタのゲート下に形成されるチャネルの電位が前記第２の電圧より低いことを特徴とする。
このような第２の発明によれば、セルでは注入される電荷の量にばらつきが生じることがなくなる。したがって、再生画像に大きな雑音が現れることがなく、雑音の少ない再生画像を読み出すことができる。
【００１９】
第３の発明は、第１ないし第２の発明において、感光領域がｐ型基板上に形成されていることを特徴とする。
このような第３の発明によれば、ｐ型基板上に形成された感光領域を備えた固体撮像装置から、雑音の少ない再生画像を読み出すことができる。
【００２０】
第４の発明は、第１ないし第２の発明において、感光領域がｎ型基板上のｐ型ウェル内に形成されていることを特徴とする。
このような第４の発明によれば、ｎ型基板上のｐ型ウェル内に形成された感光領域を備えた固体撮像装置から、雑音の少ない再生画像を読み出すことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係るセンサの回路図である。図１に示すセンサは、ｍ×ｎのマトリックス状に配列された感光セル（破線で囲んだ部分）、電源ライン１０、垂直シフトレジスタ１１、ｎ本の垂直信号線１２−１〜ｎ、ｎ個の負荷トランジスタ１３−１〜ｎ、雑音抑圧回路１４、ｎ個の水平トランジスタ、および水平シフトレジスタ１６を備えている。各感光セルは、フォトダイオード１、転送ゲート２、フローティング拡散層部３、増幅トランジスタ４、およびリセットトランジスタ５を含んでいる。この感光セルは、３個のトランジスタ（転送ゲート２、増幅トランジスタ４、およびリセットトランジスタ５）を含み、アドレストランジスタを含まないことを特徴とする。実際のセンサにおけるｍおよびｎの値は、数十から数千程度である。
【００２２】
ｍ×ｎ個の感光セルは、半導体基板上に形成される。より詳細には、感光セルは、ｐ型基板上、または、ｎ型基板上のｐウェル（P-well）内に形成される。各感光セルにおいて、フォトダイオード１は、入射光を光電変換し、得られた信号電荷を蓄積する。転送ゲート２は、フォトダイオード１とフローティング拡散層部３との間に設けられ、フォトダイオード１に蓄積された信号電荷をフローティング拡散層部３に転送する。フローティング拡散層部３は、フォトダイオード１から転送された信号電荷を一時的に蓄積する。増幅トランジスタ４は、フローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷を増幅する。リセットトランジスタ５は、フローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷をリセットする。
【００２３】
感光セルが配列された感光領域には、電源ライン１０および垂直信号線１２−１〜ｎに加えて、２組のｍ本の信号線１７−１〜ｍ、１８−１〜ｍが配線される。電源ライン１０は、増幅トランジスタ４のドレインに共通して接続される。本実施形態では、電源ライン１０は、すべての感光セルに含まれる増幅トランジスタ４およびリセットトランジスタ５のドレインに共通して接続され、電源ライン１０の他端にある電源供給端子２０から、すべての感光セルに対して、パルス状の電源電圧ＶｄｄＣが印加されるものとする。なお、図１では、すべての感光セルが１本の電源ライン１０に接続されているが、感光セルに共通した電源を供給するために、電源ラインを２本以上使用してもよい。
【００２４】
垂直信号線１２−１〜ｎは、感光セルの各列に対して設けられる。垂直信号線１２〜１〜ｎは、それぞれ、同じ列に配列された感光セルに含まれる増幅トランジスタ４および負荷トランジスタ１３−１〜ｎと、雑音抑圧回路１４とを接続する。信号線１７−１〜ｍ、１８−１〜ｍは、垂直シフトレジスタ１１の出力信号線であり、感光セルの各行に対して設けられる。信号線１７−１〜ｍは、それぞれ、同じ行に配列された感光セルに含まれる転送ゲート２のゲートを接続する。信号線１８−１〜ｍは、それぞれ、同じ行に配列された感光セルに含まれるリセットトランジスタ５のゲートを接続する。
【００２５】
垂直シフトレジスタ１１は、以下に示すように、垂直ドライバ回路として動作する。垂直シフトレジスタ１１は、電源ラインＶｄｄＣがハイレベルであるときに、同じ行に配列された感光セルに含まれる転送ゲート２を同時に駆動する。また、垂直シフトレジスタ１１は、電源ラインＶｄｄＣがハイレベルであるときに、転送ゲート２の駆動タイミングとは異なるタイミングで、同じ行に配列された感光セルに含まれるリセットトランジスタ５を同時に駆動する。負荷トランジスタ１３−１〜ｎは、それぞれ、垂直信号線１２−１〜ｎに接続され、行方向に並べて配列される。雑音抑圧回路１４は、垂直信号線１２−１〜ｎに接続され、増幅トランジスタ４から出力された信号を取り込み、取り込んだ信号の雑音成分を除去する。水平トランジスタ１５−１〜ｎは、行方向に並べて配列される。各水平トランジスタ１５−１〜ｎには、雑音抑圧回路１４から出力されたｎ本の信号がそれぞれ入力される。水平シフトレジスタ１６は、水平ドライバ回路として動作する。すなわち、水平シフトレジスタ１６は、水平トランジスタ１５−１〜ｎを順次選択的に動作させる。これにより、雑音抑圧回路１４から出力されたｎ本の信号は、出力端子２１から順次出力される。
【００２６】
図２は、雑音抑圧回路１４の詳細を説明するための図である。雑音抑圧回路１４は、図２（ａ）に示すように、ｎ個のサンプルホールドトランジスタ３１−１〜ｎ、ｎ個のクランプ容量３２−１〜ｎ、ｎ個のクランプトランジスタ３３−１〜ｎ、およびｎ個のサンプルホールド容量３４−１〜ｎを含んでいる。雑音抑圧回路１４は、図５に示した雑音抑圧回路とサンプルホールドトランジスタ３１−１〜ｎの位置が異なるが、図５に示した雑音抑圧回路とほぼ同様に動作する。サンプルホールドトランジスタ３１−１〜ｎのゲートには、制御端子２２から入力されるサンプルホールド制御信号が印加される。同様に、クランプトランジスタ３３−１〜ｎのゲートには、制御端子２３から入力されるクランプ制御信号が印加される。これら２本の制御信号は、図２（ｂ）に示すように変化する。２本の制御信号がともにハイレベルである期間が雑音出力期間となり、サンプルホールド制御信号がハイレベルで、クランプ制御信号がローレベルである期間が信号出力期間となる。
【００２７】
以下、図３に示すタイミングチャートを適宜参照しながら、図１に示すセンサの駆動方法を説明する。このセンサを駆動するためには、各水平期間ごとに、電源ライン１０をパルス駆動するステップと、垂直シフトレジスタ１１によって、ｍ×ｎ個のフォトダイオード１から１行分の信号を読み出すステップと、水平シフトレジスタ１６によって、読み出した１行分の信号を順次出力するステップとが実行される。
【００２８】
図３に示すように、初期状態では、電源電圧ＶｄｄＣはローレベルである。すなわち、初期状態では、電源ライン１０は駆動されていない。１行目の感光セルから信号を取り出すためには、まず、電源電圧ＶｄｄＣがハイレベルに制御される。これにより、すべての感光セルにおいて、転送ゲート２およびリセットトランジスタ５のドレインがハイレベルになる。次に、電源ライン１０が駆動されている間に、垂直シフトレジスタ１１が、信号線１８−１を所定の時間だけハイレベルにする。これにより、リセットトランジスタ５ａ、５ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるリセットトランジスタ５のゲート電位はハイレベルとなり、これらリセットトランジスタ５はＯＮ状態となる。このとき、増幅トランジスタ４ａ、４ｂを始め、１行目の感光セルに含まれる増幅トランジスタ４も動作状態となる。同時に、フローティング拡散層部３ａ、３ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるフローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷をリセットしたときの雑音出力が、垂直信号線１２−１〜ｎに現れる。
【００２９】
次に、電源ライン１０が駆動されている間に、垂直シフトレジスタ１１が、信号線１７−１を所定の時間だけハイレベルにする。これにより、転送ゲート２ａ、２ｂを始め、１行目の感光セルに含まれる転送ゲート２のゲート電位はハイレベルとなり、これら転送ゲート２はＯＮ状態となる。このとき、フォトダイオード１ａ、１ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるフォトダイオード１に蓄積されていた信号電荷は、各感光セルに含まれるフローティング拡散層部３に読み出され、読み出された信号電荷に対応した信号出力が、垂直信号線１２−１〜ｎに現れる。
【００３０】
このようにして、垂直信号線１２−１〜ｎには、雑音電圧が現れた後、信号電圧と雑音電圧との和が現れる。雑音抑圧回路１４は、従来の雑音抑圧回路と同様に動作し、垂直信号線１２−１〜ｎに出力された信号の雑音を抑圧する。雑音抑圧回路１４から出力されたｎ本の信号は、それぞれ、水平トランジスタ１５−１〜ｎに入力される。
【００３１】
雑音抑圧回路１４が動作した後、電源電圧ＶｄｄＣは、ローレベルに変化する。次に、電源ライン１０が駆動されていない間に、垂直シフトレジスタ１１が、信号線１８−１を所定の時間だけハイレベルにする。これにより、フローティング拡散層部３ａ、３ｂを始め、１行目の感光セルに含まれるフローティング拡散層部３に蓄積された信号電荷は、リセットされる。また、増幅トランジスタ４ａ、４ｂを始め、１行目の感光セルに含まれる増幅トランジスタ４は、次に選択されるまで非動作状態となる。
【００３２】
水平シフトレジスタ１６は、水平トランジスタ１５−１〜ｎのゲートに接続されるｎ本の出力信号を出力する。水平シフトレジスタ１６は、ｎ本の出力信号を選択的にハイレベルにすることにより、水平トランジスタ１５−１〜ｎを順次選択的にＯＮ状態に制御する。これにより、フォトダイオード１ａ、１ｂを始め、１行目のフォトダイオード１に蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子２１から順次出力される。
【００３３】
次に、２行目の感光セルから信号を取り出すために、２行目の感光セルについて、１行目の場合と同様の操作が行われる。これにより、フォトダイオード１ｃ、１ｄを始め、２行目の感光セルに蓄積されていた信号電荷に対応する信号が、出力端子２１から順次出力される。以下、３行目からｍ行目の感光セルについても、同様の操作が行われる。なお、図３に示す水平ブランキング期間、水平有効期間、１水平期間、および１フレーム期間の定義、並びにフォトダイオード１の感度が一定になる点は、従来のセンサと同じである。
【００３４】
上記のようなセンサの駆動方法のうち、本実施形態では、電源電圧ＶｄｄＣのローレベル電位がゼロ電位より高い所定の電位であることを特徴とする駆動方法を考える。具体的には、電源電圧ＶｄｄＣのローレベル電位を、リセットトランジスタ５のローレベル印加時のチャネル電位より高くした駆動方法や、電源電圧ＶｄｄＣのローレベル電位を、転送ゲート２のローレベル印加時のチャネル電位より高くした駆動方法を考える。このような特徴を有する駆動方法によれば、従来の駆動方法よりも雑音の少ない再生画像が得られる。以下、図４を参照して、その理由を説明する。
【００３５】
図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１に示すセンサに含まれる感光セルの断面図および電位図である。図４（ａ）において、感光セルは、ｐ型基板上に形成されている。ｐ型基板と、その上に形成されたｎ型フォトダイオード層４１と、ｐ型基板の表面に形成されたｐ型表面層４２とは、フォトダイオード１を構成する。また、ｐ型基板上には、フォトダイオード１に加えて、フローティング拡散層部３とｎ型表面層４５とが形成される。その上で、電極４３を設けることにより転送ゲート２が形成され、電極４４を設けることによりリセットトランジスタ５が形成される。
【００３６】
上述したように、電源電圧ＶｄｄＣは、パルス状に変化する。ここでは、電源電圧ＶｄｄＣのハイレベル電位およびローレベル電位を、それぞれ、ＶｄｄＣ＿ＨおよびＶｄｄＣ＿Ｌと記す。ＶｄｄＣ＿Ｈの実際の値は、例えば、２．８Ｖである。リセットトランジスタ５のゲートには、０Ｖから２．８Ｖの範囲で変化する電圧が印加されるが、リセットトランジスタ５のゲートにローレベル電位（０Ｖ）を印加したときのチャネル電位をＲＳｃｈＬと記す。転送ゲート２のゲートにも０Ｖから２．８Ｖの範囲で変化する電圧が印加されるが、転送ゲート２のゲートにローレベル電位（０Ｖ）を印加したときのチャネル電位をＴＲｃｈＬと記す。これらの記法を用いれば、本実施形態では、
ＲＳｃｈＬ＜ＶｄｄＣ＿Ｌ …（１）
および／または
ＴＲｃｈＬ＜ＶｄｄＣ＿Ｌ …（２）
なる関係が成り立つように、電源電圧のローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌが制御される。
【００３７】
上式（１）の関係が成り立つローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌを使用すれば、増幅トランジスタ４は、ゲート領域付近で動作することがなくなる。このため、多数の増幅トランジスタ４が一斉に動作して、センサ全体を駆動するという現象が生じない。したがって、水平ブランキング期間に大きな雑音が重畳され、信号処理が難しくなるという問題を解決することができる。
【００３８】
また、上式（２）の関係が成り立つローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌを使用すれば、フォトダイオード１に注入される電荷のために、感光セルでは注入される電荷の量にばらつきが生じるという現象が生じない。このため、再生画像に大きな雑音が現れることがなく、美しい再生画像を読み出すことができる。
【００３９】
以上に示すように、上式（１）および／または（２）の関係が成り立つ電源電圧のローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌを用いることにより、センサ全体が駆動されることなく、各画素における電位が安定するので、雑音の少ない美しい再生画像を読み出すことができる。
【００４０】
なお、実際には、上式（１）および（２）に代えて、あるいは、上式（１）および／または（２）に加えて、電源電圧のローレベル電位ＶｄｄＣ＿Ｌとして、フォトダイオードのチャネル電位より高い電位を使用してもよい。このような電位を使用した場合も、同様に、図１に示すセンサから、雑音の少ない再生画像を読み出すことができる。
【００４１】
また、本実施形態に係る駆動方法の適用対象となるセンサは、図４に示したように、ｐ型基板上に形成されたものであってもよく、ｎ型基板内のｐウェル上に形成されたものであってもよい。本実施形態に係る駆動方法は、いずれの方法で作成されたセンサにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサの回路図
【図２】本発明の実施形態に係るセンサの雑音抑圧回路の詳細を示す図
【図３】本発明の実施形態に係るセンサの駆動方法を示すタイミングチャート
【図４】本発明の実施形態に係るセンサの感光セルの断面図および電位図
【図５】従来のセンサの回路図
【図６】従来のセンサの駆動方法を示すタイミングチャート
【符号の説明】
１…フォトダイオード
２…転送ゲート
３…フローティング拡散層部
４…増幅トランジスタ
５…リセットトランジスタ
１０…電源ライン
１１…垂直シフトレジスタ
１２…垂直信号線
１３…負荷トランジスタ
１４…雑音抑圧回路
１５…水平トランジスタ
１６…水平シフトレジスタ
ＶｄｄＣ…電源電圧
Claims (4)
- 半導体基板上に、光電変換手段、前記光電変換手段に蓄積された信号電荷を転送する信号電荷転送手段、前記信号電荷転送手段を通じて転送された信号電荷を一時的に蓄積する信号電荷蓄積手段、前記信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷を増幅する増幅手段、前記信号電荷蓄積手段に蓄積された信号電荷をリセットする信号電荷排出手段からなる感光セルを列および行方向の２次元状に配列した感光領域と、
前記感光セルにパルス状の電源電圧を供給する電源ラインと、前記信号電荷転送手段および前記信号電荷排出手段を駆動する行選択手段とを少なくとも具備し、
前記電源ラインはすべての前記感光セルに含まれる前記増幅手段のドレインに共通して接続され、
前記感光領域から選択した１行分の前記感光セルから信号を取り出すために、
前記電源ラインに前記電源電圧として第１の電圧と当該第１の電圧より低い第２の電圧とを供給するステップと、
前記第１の電圧を与える期間に、選択された前記感光セルに備わる前記信号電荷排出手段と前記信号電荷転送手段にローレベル電圧とハイレベル電圧を印加し、前記増幅手段を動作状態とするステップと、
前記第２の電圧を与える期間に、選択された前記感光セルに備わる前記信号電荷排出手段にローレベル電圧とハイレベル電圧を印加し、前記増幅手段を非動作状態とするステップとを備え、
前記第２の電圧はゼロ電位より高い電位であり、
前記信号電荷排出手段はリセットトランジスタであり、前記リセットトランジスタのゲートにローレベル電圧を印加したときに前記リセットトランジスタのゲート下に形成されるチャネルの電位が前記第２の電圧より低いことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記信号電荷転送手段は転送トランジスタであり、前記信号電荷転送手段は前記信号電荷排出手段を介して前記電源電圧に接続され、
前記転送トランジスタのゲートにローレベル電圧を印加したときに前記転送トランジスタのゲート下に形成されるチャネルの電位が前記第２の電圧より低いことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記感光領域がｐ型基板上に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
- 前記感光領域がｎ型基板上のｐ型ウェル内に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
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