JP4537271B2 - Imaging apparatus and imaging system - Google Patents
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Description
本発明は、被写体像を撮像する撮像装置に関するものである。 The present invention relates to an imaging device that captures a subject image.
近年、高解像化のため、微細化プロセスを用いた光電変換部のセルサイズが精力的に縮小されている。一方、光電変換部で変換された電気信号の出力が低下することなどから、電気信号を増幅して出力することが可能な増幅型の固体撮像素子が注目されている。このような増幅型固体撮像素子には、MOS型、AMI、CMD、バイポーラ型イメージセンサ等の各固体撮像素子がある。 In recent years, the cell size of a photoelectric conversion unit using a miniaturization process has been energetically reduced for high resolution. On the other hand, an amplification type solid-state imaging device capable of amplifying and outputting an electric signal has attracted attention because the output of the electric signal converted by the photoelectric conversion unit is lowered. Such amplification type solid-state imaging devices include solid-state imaging devices such as MOS type, AMI, CMD, and bipolar type image sensors.
このうち、MOS型の固体撮像素子は、フォトダイオードで発生した光キャリアをMOSトランジスタのゲート電極に蓄積し、走査回路からの駆動タイミングに従って、そのゲートの電位変化を、出力部へ電荷増幅して出力するものである。近年では、このMOS型の固体撮像素子のうち、光電変換部や、その周辺回路部を含めてすべてCMOSプロセスで実現するCMOS型固体撮像素子が特に注目されてきている。 Among these, the MOS type solid-state imaging device accumulates light carriers generated by the photodiode in the gate electrode of the MOS transistor, and amplifies the potential change of the gate to the output unit according to the drive timing from the scanning circuit. Output. In recent years, a CMOS solid-state imaging device that is realized by a CMOS process, including the photoelectric conversion portion and its peripheral circuit portion, has attracted particular attention among MOS solid-state imaging devices.
図10は、従来の固体撮像素子の内部構成図である。図10に示す固体撮像素子は、入射する光信号を電気信号に変換するフォトダイオード1と、フォトダイオード1からの信号電荷をフローティングディフュージョン領域11に転送する転送スイッチ2と、転送された信号を増幅して出力するソースフォロア(増幅トランジスタ10、定電流源7)及び定電圧源5と、フロ−ティングデュフュ−ジョン11に蓄積されている信号を垂直信号線13に読み出すための選択スイッチ6と、フローティングディフュージョン領域11を電位VPRにリセットするリセットスイッチ3及びリセット電圧源4とを備えている。
FIG. 10 is an internal configuration diagram of a conventional solid-state imaging device. The solid-state imaging device shown in FIG. 10 has a photodiode 1 that converts an incident optical signal into an electric signal, a transfer switch 2 that transfers signal charges from the photodiode 1 to a
また、図10に示す固体撮像素子は、転送スイッチ2、リセットスイッチ3及び選択スイッチ6の各ゲートに各スイッチのオン/オフを切り替える制御信号を出力する垂直走査回路14と、転送スイッチ2などのオン/オフの切り替えにより生じる固定パターンノイズを除去するための転送ゲート15a、15bと、転送ゲート15a、15bをオンしたときに入力される信号を蓄積する信号蓄積部16とを備えている。
Further, the solid-state imaging device shown in FIG. 10 includes a vertical scanning circuit 14 that outputs a control signal for switching on / off of each switch to each gate of the transfer switch 2, the
なお、図10には、画素4つ分を配列している様子を図示しているが、画素の個数に特に制限はなく、また画素の配列は、1次元的でもあっても2次元的であってもよい。 Note that FIG. 10 illustrates the arrangement of four pixels, but the number of pixels is not particularly limited, and the pixel arrangement may be one-dimensional or two-dimensional. There may be.
図11は、図10に示した垂直走査回路6から出力する制御信号の波形を示す図である。図10には、選択スイッチ6のゲートに入力している選択信号ΦSEL、リセットスイッチ3のゲートに入力しているリセット信号ΦRES、転送スイッチ2のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦTX、転送ゲート15a、15bのゲートに入力しているノイズ信号読み出し信号ΦTN及び転送信号ΦTSを示している。なお、各信号のパルス波がハイレベルのときに各スイッチのゲートをオンし、ローレベルのときに各スイッチのゲートをオフするようにしている。
FIG. 11 is a diagram showing waveforms of control signals output from the
つぎに、図11を用いて図10に示した固体撮像素子の動作について説明する。まず、垂直走査回路6から選択スイッチ6及び転送スイッチ2の各ゲートにローレベルの信号を入力し、リセットスイッチ3のゲートにハイレベルの信号を入力している。このとき、フォトダイオード1で入射光を光電変換して、得られた電荷を蓄積している。また、フローティングディフュージョン領域11を、リセット電位VPRにしている。
Next, the operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 10 will be described with reference to FIG. First, a low level signal is input from the
つづいて、トランスファーゲート信号ΦTXをハイレベルとして、フォトダイオード1に蓄積していた電荷を、転送スイッチ2を介してフローティングディフュージョン領域11に転送する。そして、トランスファーゲート信号ΦTXをローレベルとすると、フォトダイオード1で電荷の蓄積がされる。
Subsequently, the transfer gate signal ΦTX is set to a high level, and the charge accumulated in the photodiode 1 is transferred to the
つぎに、選択信号ΦSELをハイレベルとして、リセットΦ信号をローレベルに切り替えた直後に、ノイズ信号読み出し信号ΦTNをハイレベルとして、固体撮像素子内のノイズを、垂直信号線13、転送ゲート15bを介して信号蓄積部16へ入力させる。そして、ノイズ信号読み出し信号ΦTNをローレベルに切り替えた後に、選択信号ΦSELをローレベル、トランスファーゲート信号ΦTXをハイレベルとすると、フォトダイオード1で電荷の蓄積が終了するとともに、フォトダイオード1に蓄積していた電荷を、トランスファーゲート信号ΦTXをフローティングディフュージョン領域11に転送する。
Next, immediately after the selection signal ΦSEL is set to the high level and the reset Φ signal is switched to the low level, the noise signal readout signal ΦTN is set to the high level, and the noise in the solid-state imaging device is transferred to the
そして、トランスファーゲート信号TXをローレベルにすると、フォトダイオード1からフローティングディフュージョン領域11への電荷の転送を終了させ、フォトダイオード1は、再び電荷の蓄積を開始する。なお、トランスファーゲート信号TXをローレベルにするまでに、フォトダイオード1に蓄積されていた電荷は、フローティングディフュージョン領域11へ転送されるため、フォトダイオード1は、空乏層化してほぼリセットされたような状態となる。
When the transfer gate signal TX is set to the low level, the transfer of charges from the photodiode 1 to the
その後、選択信号ΦSELがハイレベルとし、その直後に転送信号ΦTSをハイレベルにすると、フローティングディフュージョン領域11に転送された電荷に基づいてソースフォロア10で増幅された増幅信号が垂直信号線13、転送ゲ−ト15aを介して信号蓄積部16へ入力される。
Thereafter, when the selection signal ΦSEL is set to the high level and the transfer signal ΦTS is set to the high level immediately thereafter, the amplified signal amplified by the
信号蓄積部16では、転送ゲート15bを介して入力された入力信号と、転送ゲート15aを介して入力された入力信号とが、図示しない差分回路によって差分されるようにタイミングが取られた後に出力部へ出力される。出力部では、入力された2つの信号を差分することにより、転送スイッチ2のオン/オフを切り替えたときに生じる固定パターンノイズを除去していた。
The
しかし、従来の技術は、垂直信号線13には、定電流源が接続されているので、フォトダイオードで電荷を蓄積している間には、垂直信号線の電位は0Vに近づく。その結果、垂直信号線の電位は相対的に低くなり、垂直信号線からフォトダイオードに向かって微小なリーク電流が流れる場合がある。
However, in the conventional technique, since the constant current source is connected to the
その際に、垂直信号線からフォトダイオードに電荷が流入されることになる。そのため、フォトダイオードからフローティングディフュージョン領域への電荷の転送時に、入射光が変換された電荷に、リーク電流に基づく電荷が重畳され、さらに、これらの電荷に基づいて増幅された増幅信号が、垂直信号線に読み出される。 At that time, charge flows into the photodiode from the vertical signal line. Therefore, when charges are transferred from the photodiode to the floating diffusion region, charges based on the leakage current are superimposed on the charges converted from the incident light, and the amplified signal amplified based on these charges is also a vertical signal. Read to line.
このように、読み出された増幅信号には、実際に光電変換して得られる電荷に、さらにフォトダイオードと垂直信号線との電位差によって生じた電荷分が加わっている場合があり、係る場合には、この増幅信号に基づいて得られる画像が劣化する場合がある。 As described above, in the read amplified signal, the charge generated by the potential difference between the photodiode and the vertical signal line may be further added to the charge actually obtained by photoelectric conversion. In some cases, an image obtained based on the amplified signal may deteriorate.
そこで、本発明は、フォトダイオードなどの光電変換部で電荷を蓄積している間に、垂直信号線から光電変換部にリーク電流が流れないようにして、読み出した信号にノイズが少なくなるようにすることを課題とする。 Therefore, the present invention prevents the leakage current from flowing from the vertical signal line to the photoelectric conversion unit while accumulating charges in the photoelectric conversion unit such as a photodiode so that the read signal has less noise. The task is to do.
上記課題を解決するために、本発明は、第1導電型の第1の半導体領域と、第2導電型の第2の半導体領域と、を含んで構成される光電変換部と、前記第1導電型の半導体領域とPN接合を構成するように配された第2導電型のソース・ドレイン領域を有するトランジスタと、を含む画素を複数有する撮像装置であって、前記ソース・ドレイン領域の少なくとも一方は定電流源に接続されており、前記光電変換部で電荷を蓄積している間に、前記第1の半導体領域と、前記第2導電型のソース・ドレイン領域の前記定電流源が接続された一方とで構成するPN接合に逆バイアスが印加されることを特徴とする撮像装置を提供する。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a photoelectric conversion unit including a first semiconductor region of a first conductivity type and a second semiconductor region of a second conductivity type, and the first An image pickup apparatus having a plurality of pixels including a conductive semiconductor region and a transistor having a second conductive type source / drain region arranged to form a PN junction, wherein at least one of the source / drain regions Is connected to a constant current source, and while the electric charge is accumulated in the photoelectric conversion unit, the first semiconductor region and the constant current source of the second conductivity type source / drain region are connected. An imaging device is provided in which a reverse bias is applied to a PN junction constituted by the other.
以上説明したように、本発明の撮像装置は、光電変換部で光電変換によって生じた電気信号を蓄積中に、光電変換部へのリーク電流の流れコミを低減させることが可能となる。 As described above, the image pickup apparatus of the present invention can reduce the leakage of leakage current to the photoelectric conversion unit while accumulating electrical signals generated by photoelectric conversion in the photoelectric conversion unit.
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1の固体撮像素子の等価回路図である。図1に示す固体撮像素子は、入射する光信号を電気信号に変換する光電変換部であるところのフォトダイオード1と、フォトダイオード1からの信号電荷を蓄積領域であるフローティングディフュージョン領域11に転送する転送スイッチ2と、転送された信号を増幅して出力するソースフォロア(増幅トランジスタ10、定電流源)及び定電圧源5とを備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. The solid-state imaging device shown in FIG. 1 transfers a photodiode 1 serving as a photoelectric conversion unit that converts an incident optical signal into an electric signal, and a signal charge from the photodiode 1 to a floating
また、図1に示す固体撮像素子は、蓄積された電荷が転送されるフォトダイオード1を選択する選択スイッチ6と、フローティングディフュージョン領域11を電位VPRにリセットするリセットスイッチ3及びリセット電圧源4と、転送スイッチ2のオン/オフを切り替えることにより生じる固定パターンノイズを除去するための転送ゲート15a、15bと、転送ゲート15a、15bをオンしたときに入力される信号を蓄積する信号蓄積部16とを備えている。
The solid-state imaging device 1 includes a
ここで、フォトダイオ−ド1、転送スイッチ2、リセットスイッチ3、選択スイッチ6、増幅トランジスタ10により画素を構成する。
Here, the photodiode 1, the transfer switch 2, the
なお、本実施形態では、たとえばフォトダイオード1のアノード側をGNDに接地し、カソード側を転送スイッチ2に接続することによって、フォトダイオード1への電荷の蓄積を開始するときに、フォトダイオード1の逆バイアスフォト電圧VREVを1V程度としている。 In the present embodiment, for example, when the accumulation of charges in the photodiode 1 is started by grounding the anode side of the photodiode 1 to the GND and connecting the cathode side to the transfer switch 2, The reverse bias photovoltage V REV is set to about 1V.
図2は、図1に示す固体撮像素子の各部分の接続状態を示す模式断面図である。図2において、aはフォトダイオード1、bはフォトダイオード1から電荷を転送する転送スイッチ2のゲート、cは電荷の転送先であるフローティングディフュージョン領域11、dはリセットスイッチ3のゲート、eはリセット電源4及び定電圧源5、fは選択スイッチ6のゲート、gは増幅トランジスタ10のソース、hは増幅トランジスタ10のゲート、iは垂直信号線13に接続された拡散領域(出力部)を示している。なお、n型導電型の(n+層)フォトダイオードa〜拡散領域iを、p型ウェル中に形成している。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a connection state of each part of the solid-state imaging device shown in FIG. In FIG. 2, a is a photodiode 1, b is a gate of a transfer switch 2 that transfers charges from the photodiode 1, c is a floating
図3は、図1に示した固体撮像素子を動作させるタイミングチャートである。図3には、選択スイッチ6のゲートに入力している選択信号ΦSEL、リセットスイッチ3のゲートに入力しているリセット信号ΦRES、転送スイッチ2のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦTX、各転送ゲート15a、15bのゲートに入力しているノイズ信号読み出し信号ΦTN及び転送信号ΦTSを示している。
FIG. 3 is a timing chart for operating the solid-state imaging device shown in FIG. In FIG. 3, the selection signal ΦSEL input to the gate of the
なお、本実施形態では、各信号のパルス波がハイレベルのときに各スイッチ等のゲートをオンし、ローレベルのときに各スイッチのゲートをオフするようにしている。 In this embodiment, the gate of each switch is turned on when the pulse wave of each signal is at a high level, and the gate of each switch is turned off when the pulse wave of each signal is at a low level.
つぎに、図3を用いて図1に示した固体撮像素子の動作について説明する。まず、リセットスイッチ3のゲートに入力しているリセット信号ΦRESをハイレベルとした状態で、転送スイッチ2のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦTXをローレベルとすると、フォトダイオード1では、入射光を光電変換して得られる電荷を蓄積し始める。
Next, the operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. First, when the transfer gate signal ΦTX input to the gate of the transfer switch 2 is set to the low level while the reset signal ΦRES input to the gate of the
このとき、選択スイッチ6のゲートに印加している選択信号ΦSELをハイレベルにすることによって、拡散領域(図2のi)が所定の電位となり、p型ウエル(p−substrate)と拡散領域(図2のi)間は逆バイアスとなる。また、垂直信号線13側の電位をフォトダイオード1の電位より高くしている。こうして、垂直信号線13側からフォトダイオード1へリーク電流が流れないようにする。
At this time, by setting the selection signal ΦSEL applied to the gate of the
つぎに、リセットスイッチ3のゲートに印加しているリセット信号ΦRESをローレベルとした後に、ノイズ信号読みだし信号ΦTNをハイレベルにして、増幅トランジスタ10により生じる固定パターンノイズ信号が垂直信号線13、転送ゲート15bを介して信号蓄積部16へ入力する。
Next, after setting the reset signal ΦRES applied to the gate of the
そして、ノイズ信号読みだし信号ΦTNをローレベルにした後に、トランスファーゲート信号ΦTXをハイレベルにすると、フォトダイオード1で電荷の蓄積が終了するとともに、蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョン領域11に転送される。
Then, after the noise signal readout signal ΦTN is set to the low level and then the transfer gate signal ΦTX is set to the high level, the charge accumulation at the photodiode 1 is completed and the accumulated charge is transferred to the floating
そして、トランスファーゲート信号TXをローレベルにして、フォトダイオード1からフローティングディフュージョン領域11への電荷の転送を終了させる。
Then, the transfer gate signal TX is set to a low level, and the transfer of charges from the photodiode 1 to the floating
また、選択信号ΦSELはハイレベルであるため、フローティングディフュージョン領域11へ転送された電荷に基づいてソースフォロア10で増幅されることによって得られる増幅信号は、垂直信号線13に読み出される。つづいて、転送信号ΦTSをハイレベルにすると、垂直信号線13に読み出された信号は、転送ゲート15aを介して、信号蓄積部16へ入力される。
Further, since the selection signal ΦSEL is at a high level, an amplified signal obtained by being amplified by the
信号蓄積部16では、転送ゲート15bを介して入力された入力信号と、転送ゲート15aを介して入力された入力信号とが、図示しない差分回路によって差分されるようなタイミングで出力部へ出力される。出力部では、入力された2つの信号を差分することにより、転送スイッチ2のオン/オフを切り替えたときに生じる固定パターンノイズを除去する。そして、選択信号ΦSELをロウレベルとして、読み出し動作が終了する。
In the
フォトダイオード1で電荷を蓄積している期間中に、選択スイッチ6のゲート及びリセットスイッチ3のゲートに入力している信号は各々ハイレベルなので、リセット電源4の電位をVPR、フォースフォロア10のゲート−ソース間をVGSとすると、垂直信号線13側の電圧Voutは、
Vout=VPR−VGS
と表すことができる。
During the period in which charges are accumulated in the photodiode 1, the signals input to the gate of the
Vout = V PR −V GS
It can be expressed as.
本実施形態において、たとえばVPR=3.5V、VGS=1.5Vと設定すると、拡散領域(図2のi)とpウエル(図2のp−substrate)間には、2Vの逆バイアス電圧が印加され、光電変換部の電位と垂直信号線側の電位の関係は、
VREV<Vout
の関係にある。
In this embodiment, when V PR = 3.5 V and V GS = 1.5 V, for example, a reverse bias of 2 V is provided between the diffusion region (i in FIG. 2) and the p-well (p-sublate in FIG. 2). A voltage is applied, and the relationship between the potential of the photoelectric conversion unit and the potential on the vertical signal line side is
V REV <Vout
Are in a relationship.
図8は、図2のフォトダイオードa、p型ウェル及び拡散領域iにおける信号電荷に対するポテンシャルを示した図である。なお、図8には、比較のため、従来の拡散領域iのポテンシャルも示している。上記のように、フォトダイオード1で電荷を蓄積している間、出力部iのポテンシャルをフォトダイオ−ドaのポテンシャルより低くしているため、拡散領域iの電荷がp型ウェルを介して光電変換部a側に流れないようにしているため、フォトダイオード1に電荷を蓄積中に出力部iからフォトダイオードaにリーク電流が流れない。 FIG. 8 is a diagram showing the potential with respect to signal charges in the photodiode a, p-type well and diffusion region i of FIG. FIG. 8 also shows the potential of the conventional diffusion region i for comparison. As described above, since the potential of the output part i is lower than the potential of the photodiode a while the charge is accumulated in the photodiode 1, the charge in the diffusion region i is photoelectrically transmitted through the p-type well. Since the current does not flow to the conversion part a side, no leakage current flows from the output part i to the photodiode a while charges are accumulated in the photodiode 1.
つまり、フォトダイオード1のカソードの電位に対して垂直信号線13に接続された拡散領域の電位は高く設定されている。このことにより、出力部からフォトダイオード1への電荷の流れ込みをなくすことができる。従って、フォトダイオード1で蓄積された電荷を読み出したときに、その電荷にはノイズが少ないため、高画質の画像が得られる。
That is, the potential of the diffusion region connected to the
ここで、上記の実施形態では、フォトダイオ−ドの電位aに対して拡散領域iの電位を高くしているが、フォトダイオ−ドaの電位と拡散領域iの電位関係に関係なく、pウエル(p−substrate)と拡散領域i間を逆バイアスにすることによってのみであってもよい。 Here, in the above-described embodiment, the potential of the diffusion region i is set higher than the potential a of the photodiode. However, regardless of the relationship between the potential of the photodiode a and the potential of the diffusion region i, p It may be only by applying a reverse bias between the well (p-substrate) and the diffusion region i.
(実施形態2)
図4は、本発明の実施形態2の固体撮像素子の等価回路図である。図4に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、垂直信号線13に直列に第1のスイッチ8を接続している。本実施形態では、第1のスイッチ8を設けることによって、フォトダイオード1に電荷を蓄積しているときに、ソースフォロア10のソース−ドレイン間に電流を流れないようにして、消費電力を抑制している。なお、図4において、図1と同様の部分には、同一の符号を付している。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the solid-state imaging device of the present embodiment has a
図5は、図4に示した固体撮像素子を動作させるタイミングチャートである。図5には、選択信号ΦSEL、リセット信号ΦRES及びトランスファーゲート信号ΦTXに加えて、スイッチ8のゲートに入力している信号ΦIOFFも示している。
FIG. 5 is a timing chart for operating the solid-state imaging device shown in FIG. FIG. 5 also shows a signal ΦIOFF input to the gate of the
本実施形態では、リセット信号ΦRESをローレベルとすると共に、信号ΦIOFFをハイレベルとしている。また、トランスファーゲート信号ΦTXがハイレベル、ローレベルとされることによってフォトダイオード1に蓄積されている電荷が、フローティングディフュージョン領域11に転送された後に、リセット信号ΦRESをハイレベルとすると共に、信号ΦIOFFをローレベルとしている。
In the present embodiment, the reset signal ΦRES is at a low level and the signal ΦIOFF is at a high level. Further, the charge accumulated in the photodiode 1 is transferred to the floating
すなわち、信号ΦIOFFのハイレベル/ローレベルの切り替えは、リセット信号ΦRESのローレベル/ハイレベルと同じタイミングでされている。こうして、本実施形態では、上記のように、フォトダイオード1において電荷を蓄積しているときに、ソースフォロア10のソース−ドレイン間に電流を流れないようにして、消費電力を抑えている。
That is, the switching of the high level / low level of the signal ΦIOFF is performed at the same timing as the low level / high level of the reset signal ΦRES. Thus, in the present embodiment, as described above, when charge is accumulated in the photodiode 1, current is not allowed to flow between the source and drain of the
実施形態1、2では、フォtダイオ−ド1が光電変換によって生じた電気信号を蓄積している間に、転送スイッチをオフ、リセットスイッチ及び選択スイッチをオンにするようなパルスを制御する駆動回路(図9の108)が電位制御手段に相当する。 In the first and second embodiments, while the photo diode 1 is accumulating the electrical signal generated by the photoelectric conversion, the driving for controlling the pulse to turn off the transfer switch and turn on the reset switch and the selection switch is performed. The circuit (108 in FIG. 9) corresponds to the potential control means.
また、実施形態1、2では、選択スイッチ6を増幅トランジスタ10と垂直信号線10の間に接続する構成であってもよい。
In the first and second embodiments, the
(実施形態3)
図6は、本発明の実施形態3の固体撮像素子の等価回路図である。図6に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、垂直信号線13の電位を、電荷を蓄積しているフォトダイオード1の電位よりも高電位であるVVRとするための第2のスイッチ9及び定電圧源VVR12が設けている。本実施形態では、第2のスイッチ9及び定電圧源VVR12を設けることによって、選択スイッチ6等によらずに、垂直信号線13の電位をフォトダイオード1の電位よりも高くしている。なお、図6において、図4と同様の部分には、同一の符号を付している。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the solid-state imaging device of the present embodiment has a second potential for setting the potential of the
図7は、図6に示した固体撮像素子を動作させるタイミングチャートである。図7には、選択信号ΦSEL、リセット信号ΦRESトランスファーゲート信号ΦTX及び信号ΦIOFFに加えて、第2のスイッチ9のゲートに入力している信号ΦVRも示している。 FIG. 7 is a timing chart for operating the solid-state imaging device shown in FIG. FIG. 7 also shows a signal ΦVR input to the gate of the second switch 9 in addition to the selection signal ΦSEL, the reset signal ΦRES transfer gate signal ΦTX, and the signal ΦIOFF.
図7を用いて、図6に示した固体撮像素子の動作について説明する。まず、リセットスイッチ3のゲートに入力しているリセット信号ΦRESをハイレベルとした状態で、転送スイッチ2のゲートに入力しているトランスファーゲート信号ΦTXをローレベルとすると、フォトダイオード1では、入射光を光電変換して得られる電荷を蓄積し始める。
The operation of the solid-state imaging device shown in FIG. 6 will be described with reference to FIG. First, when the transfer gate signal ΦTX input to the gate of the transfer switch 2 is set to the low level while the reset signal ΦRES input to the gate of the
このとき、選択スイッチ6のゲートに印加している選択信号ΦSELをともにハイレベルにして、垂直信号線13側の電位をフォトダイオード1の電位より高くしている。こうして、垂直信号線13側からフォトダイオード1へリーク電流が流れないようにする。
At this time, both the selection signals ΦSEL applied to the gates of the selection switches 6 are set to the high level so that the potential on the
また、実施形態2と同様に、信号ΦIOFFは、リセット信号ΦRESのローレベル/ハイレベルと同じタイミングでハイレベル/ローレベルの切り替えをしている。さらに、信号ΦVRは、リセット信号ΦRESのハイレベル/ローレベルと同じタイミングでハイレベル/ローレベルの切り替えをしている。 As in the second embodiment, the signal ΦIOFF switches between the high level and the low level at the same timing as the low level / high level of the reset signal ΦRES. Further, the signal ΦVR switches between the high level and the low level at the same timing as the high level / low level of the reset signal ΦRES.
つぎに、リセットスイッチ3のゲートに印加しているリセット信号ΦRESをローレベル、すなわち、信号ΦIOFFをハイレベル、信号ΦVRをローレベルとした後に、選択信号ΦSELをハイレベルに切り替える。そして、ノイズ読み出し信号ΦTNをハイレベルとして、転送スイッチ2のハイレベル、ローレベルの切り替えによって生じた固定パターンノイズを、垂直信号線13、転送ゲート15bを介して、信号蓄積部16へ入力する。
Next, after the reset signal ΦRES applied to the gate of the
その後、ノイズ読み出し信号ΦTNをローレベルとした後に、トランスファーゲート信号ΦTXをハイレベルにすると、フォトダイオード1で電荷の蓄積が終了するとともに、蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョン領域11に転送される。
After that, when the noise read signal ΦTN is set to the low level and then the transfer gate signal ΦTX is set to the high level, the charge accumulation in the photodiode 1 is completed and the accumulated charge is transferred to the floating
そして、トランスファーゲート信号TXをローレベルにして、フォトダイオード1からフローティングディフュージョン領域11への電荷の転送を終了させ、フォトダイオード1に、再び電荷を蓄積をさせる。なお、トランスファーゲート信号TXをローレベルにするまでの間に、フォトダイオード1に蓄積されていた電荷は、フローティングディフュージョン領域11へ転送されることにより空乏層化して、ほぼリセットされたような状態となる。
Then, the transfer gate signal TX is set to the low level, the transfer of charges from the photodiode 1 to the floating
また、選択信号ΦSELはハイレベルであるため、フローティングディフュージョン領域11へ転送された電荷に基づいてソースフォロア10で増幅されることによって得られる増幅信号は、垂直信号線13に読み出される。つづいて、転送信号ΦTSをハイレベルにすると、垂直信号線13に読み出された信号は、転送ゲート15aを介して、信号蓄積部16へ入力される。
Further, since the selection signal ΦSEL is at a high level, an amplified signal obtained by being amplified by the
信号蓄積部16では、転送ゲート15bを介して入力された入力信号と、転送ゲート15aを介して入力された入力信号とが、図示しない差分回路によって差分されるようにタイミングが取られた後に出力部へ出力される。出力部では、入力された2つの信号を差分することにより、転送スイッチ2のオン/オフを切り替えたときに生じる固定パターンノイズを除去している。そして、選択信号ΦSELをロウレベルとして、読み出し動作が終了する。
The
本実施形態では、フォトダイオード1で電荷を蓄積しているときに、信号ΦVRをハイレベルとしているため、定電圧源VVR12により垂直信号線13をフォトダイオード1よりも高電位とすることができる。そのため、実施形態1のように選択信号ΦSELをハイレベルにすることなく、垂直信号線13側からフォトダイオード1にリーク電流が流れないようにすることができ、そのため、フォトダイオード1で蓄積された電荷を読み出したときに、その電荷にはノイズが少なく、高画質の画像が得られる。
In the present embodiment, since the signal ΦVR is at a high level when charges are accumulated in the photodiode 1, the
ここで、実施形態3では、実施形態1、2と同様に、フォトダイオ−ドの電位aと拡散領域iの電位に関係なく、pウエルjと拡散領域iの間を逆バイアスにすることのみであってもよい。 Here, in the third embodiment, as in the first and second embodiments, only a reverse bias is applied between the p-well j and the diffusion region i regardless of the potential a of the photodiode and the potential of the diffusion region i. It may be.
又、実施形態3では、第2のスイッチ9、定電流源12、及びフォトダイオ−ド1が光電変換によって生じた電気信号を蓄積している間に、第2のスイッチをオンにするようなパルスを出力するように制御する駆動回路(図9の108)が電位制御手段に相当する。
In the third embodiment, the second switch 9, the constant
上記の実施形態3では、フォトダイオ−ド1、転送スイッチ2、リセットスイッチ3、選択スイッチ6、増幅トランジスタ10で1画素を構成しているが、例えばフォトダイオ−ド1と転送スイッチ2によって1画素を構成する等の他の画素構成であってもよい。
In the third embodiment, the photodiode 1, the transfer switch 2, the
(実施形態4)
図9に基づいて、上記で説明した実施形態1〜3で説明した固体撮像素子を用いた撮像システムについて説明する。
(Embodiment 4)
Based on FIG. 9, the imaging system using the solid-state imaging device described in the first to third embodiments described above will be described.
図において、101はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、102は被写体の光学像を固体撮像素子104に結像させるレンズ、103はレンズ102を通った光量を可変するための絞り、104はレンズ102で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、105は、固体撮像素子104から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、106は固体撮像素子104より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うA/D変換器、107はA/D変換器106より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、108は固体撮像素子104、撮像信号処理回路105、A/D変換器106、信号処理部107に、各種タイミング信号を出力する駆動回路、109は各種演算と撮像装置全体を制御する全体制御・演算部、110は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、111は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、112は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、113は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
In the figure, 101 is a barrier that serves as a lens switch and a main switch, 102 is a lens that forms an optical image of a subject on the solid-
次に、前述の構成における撮影時の撮像装置の動作について説明する。 Next, the operation of the image pickup apparatus at the time of shooting in the above configuration will be described.
バリア101がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にA/D変換器106などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部109は絞り103を開放にし、固体撮像素子104から出力された信号はA/D変換器106で変換された後、信号処理部107に入力される。
When the
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部109で行う。 Based on this data, exposure calculation is performed by the overall control / calculation unit 109.
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部9は絞りを制御する。 The brightness is determined based on the result of the photometry, and the overall control / calculation unit 9 controls the aperture according to the result.
次に、固体撮像素子104から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部109で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。 Next, based on the signal output from the solid-state image sensor 104, the high-frequency component is extracted and the distance to the subject is calculated by the overall control / calculation unit 109. Thereafter, the lens is driven to determine whether or not it is in focus. When it is determined that the lens is not in focus, the lens is driven again to perform distance measurement.
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。 Then, after the in-focus state is confirmed, the main exposure starts.
露光が終了すると、固体撮像素子104から出力された画像信号はA/D変換器106でA/D変換され、信号処理部7を通り全体制御・演算部109によりメモリ部に書き込まれる。
When the exposure is completed, the image signal output from the solid-state image sensor 104 is A / D converted by the A /
その後、メモリ部110に蓄積されたデータは、全体制御・演算部109の制御により記録媒体制御I/F部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体112に記録される。また、外部I/F部113を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
Thereafter, the data stored in the memory unit 110 is recorded on a removable recording medium 112 such as a semiconductor memory through the recording medium control I / F unit under the control of the overall control / arithmetic unit 109. Further, the image may be processed by directly inputting to a computer or the like through the external I /
1 フォトダイオード
2 転送スイッチ
3 リセットスイッチ
4 リセット電圧源
5 定電圧源
6 選択スイッチ
7 定電流源
8 第1のスイッチ
9 第2のスイッチ
10 ソースフォロア
11 フローティングディフュージョン領域
12 定電圧源VVR
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photodiode 2
Claims (4)
前記第1導電型の半導体領域とPN接合を構成するように配された第2導電型のソース・ドレイン領域を有するトランジスタと、を含む画素を複数有する撮像装置であって、
前記ソース・ドレイン領域の少なくとも一方は定電流源に接続されており、前記光電変換部で電荷を蓄積している間に、前記第1の半導体領域と、前記第2導電型のソース・ドレイン領域の前記定電流源が接続された一方とで構成するPN接合に逆バイアスが印加されることを特徴とする撮像装置。 A photoelectric conversion unit configured to include a first semiconductor region of a first conductivity type and a second semiconductor region of a second conductivity type;
An imaging apparatus having a plurality of pixels including a transistor having a second conductivity type source / drain region arranged to form a PN junction with the first conductivity type semiconductor region,
At least one of the source / drain regions is connected to a constant current source, and while the electric charge is accumulated in the photoelectric conversion unit, the first semiconductor region and the source / drain region of the second conductivity type An imaging apparatus, wherein a reverse bias is applied to a PN junction formed by one of the constant current sources connected to the PN junction.
前記画素に光を結像するレンズと、
前記画素からの信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換回路と、
前記アナログ・ディジタル変換回路からの信号の信号処理を行う信号処理回路と、
を有することを特徴とする撮像システム。 The imaging device according to any one of claims 1 to 3,
A lens for imaging light on the pixel;
An analog / digital conversion circuit for converting a signal from the pixel into a digital signal;
A signal processing circuit for performing signal processing of a signal from the analog-digital conversion circuit;
An imaging system comprising:
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