JP4645743B2 - 固体撮像装置の駆動方法および固体撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ソースフォロワ回路から信号電圧を取り出す固体撮像装置の駆動方法および固体撮像装置に関する。
固体撮像装置の高感度化技術の一つとして、素子を冷却することで暗電流を低減し、蓄積時間を長くする技術が知られている。例えば、天文学や科学測定用の光電変換素子として用いられる固体撮像装置は、一般のカムコーダーと比較して１０倍以上の蓄積時間を有している（例えば、特許文献１参照。）。
このような固体撮像装置では、素子を液体窒素等で冷却してチップ温度を−１０℃またはそれ以下に保っており、暗電流が測定の問題にならない程度に低減されている。
しかしながら、固体撮像素子の微細化や変換効率の向上を図る観点から、信号出力部のＭＯＳトランジスタを微細化すると、これに起因して信号出力部のＭＯＳトランジスタにおけるドレイン端の電界が大きくなり、ここで発生するホットエレクトロンによる暗電流が無視できなくなってきている。
本発明はこのような問題を解決するために成された固体撮像装置の駆動方法および固体撮像装置である。すなわち、本発明は、受光量に応じた電荷を光電変換部で蓄積し、電荷転送部で転送して電荷電圧変換部を介してソースフォロワ回路から信号を取り出した後、電荷電圧変換部に転送された電荷をリセットゲートパルスによってリセットドレインに排出する固体撮像装置の駆動方法において、ソースフォロワ回路から信号を取り出していない期間中、リセットゲートパルスをハイレベルに固定するとともに、リセットドレインに印加される電圧を信号の取り出し期間中よりも高く設定することで、ソースフォロワ回路におけるＭＯＳトランジスタのゲート−ドレイン間電圧を、信号の取り出し期間中より低く設定しておくものである。
このような本発明では、ソースフォロワ回路から信号を取り出していない期間中、ソースフォロワ回路におけるＭＯＳトランジスタのゲート−ドレイン間電圧を、信号の取り出し期間中より低く設定していることから、ＭＯＳトランジスタにおけるドレイン端の電界を小さくすることができ、ホットエレクトロンによる暗電流を低減できるようになる。
本発明によれば、次のような効果がある。すなわち、信号出力部のＭＯＳトランジスタを微細化した場合であっても、信号出力を行っていない期間でドレイン端の電界を小さくしてホットエレクトロンによる暗電流の発生を低減することが可能となる。これにより、信号出力におけるダイナミックレンジおよびＳ／Ｎの向上を図ることが可能となる。
以下、本発明の固体撮像装置の駆動方法における実施の形態を図に基づいて説明する。図１は固体撮像装置の主要部構成図、図２は駆動方法を説明するタイミングチャートである。
すなわち、図１に示すように、固体撮像装置は、センサーである光電変換部（図示せず）で蓄積した信号電荷Ｑを水平方向へ転送する水平電荷転送部Ｔと、水平電荷転送部Ｔの最終段から水平出力ゲートＨＯＧを介して信号電荷Ｑが転送される電荷電圧変換部であるフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤで変換された電圧ＶFDがゲートＧに入力され、ソースＳから出力信号ＶOUTが得られるＭＯＳトランジスタを備えたソースフォロワ回路１と、フローティングディフュージョンＦＤに転送された電荷をリセットゲートパルスφＲＧによって排出するリセットドレインＲＤとを備えている。
なお、エリアセンサーから成る固体撮像装置では、図１に示されない垂直電荷転送部を備えており、光電変換部で蓄積した信号電荷Ｑを垂直方向に転送してから水平電荷転送部Ｔへ渡している。
本実施形態で適用される固体撮像装置は、液体窒素等で０℃以下に冷却された状態で使用される高感度型であり、通常のカムコーダーに比べて１０倍以上の電荷蓄積時間を有している。
このような固体撮像装置では、フローティングディフュージョンＦＤおよびソースフォロワ回路１から信号電荷Ｑに応じた出力信号ＶOUTを得る際、ソースフォワ回路１のＭＯＳトランジスタにおけるドレインＤに電源電圧ＶDDが印加され、ゲートＧに入力されるフローティングディフュージョンＦＤからの電圧ＶFDに応じた出力信号ＶOUTがソースＳから出力される。
出力信号ＶOUTは水平電荷転送部Ｔで転送される１画素毎に出力される。また、フローティングディフュージョンＦＤに転送される信号電荷Ｑは、リセットゲートパルスφＲＧによって１画素毎、リセットドレインＲＤに排出される。リセットドレインＲＤの動作時には、バイアスとして電源電圧ＶDDから成る電圧ＶRDが印加されている。
次に、本実施形態における固体撮像装置の駆動方法を図２に基づいて説明する。なお、以下の説明で図２に示されない符号は図１を参照するものとする。すなわち、図２（ａ）に示すように、固体撮像装置は蓄積時間ｔによる信号電荷Ｑの蓄積と、蓄積した信号電荷Ｑの読み出しとを繰り返している。
この例では、信号電荷Ｑの蓄積時間ｔを０．３秒以上にしている。各蓄積時間ｔの間に読み出され信号電荷Ｑは、垂直転送期間、水平転送期間で転送され、信号出力期間でフローティングディフュージョンＦＤからソースフォロワ回路１を経て出力信号ＶOUTとなる。
このような動作の中、本実施形態では、ソースフォロワ回路１から信号の取り出しをしていない期間中、ソースフォロワ回路１におけるＭＯＳトランジスタのゲートＧ−ドレインＤ間電圧を、信号の取り出しを行っている期間中より低く設定している。
具体的には、図２（ｂ）に示すように、リセットゲートパルスφＲＧを、通常駆動していない期間、Ｈｉｇｈレベルに固定し、図２（ｃ）に示すように、リセットドレインＲＤに印加される電圧ＶRDを、通常バイアス（ＶDD）がかからない期間、ＶDDよりＨｉｇｈレベルに設定する。
これにより、ソースフォロワ回路１から信号の取り出しをしていない期間中はソースフォロワ回路１におけるＭＯＳトランジスタのゲートＧ−ドレインＤ間電圧が、信号の取り出しを行っている期間中より低くなり、ＭＯＳトランジスタにおけるドレインＤ端の電界を小さくすることができるようになる。つまり、ドレインＤ端の電界を小さくすることで、ホットエレクトロンによる暗電流の発生を低減でき、出力信号ＶOUTのダイナミックレンジやＳ／Ｎを向上させることができるようになる。
また、ソースフォロワ回路１におけるＭＯＳトランジスタのゲートＧ−ドレインＤ間電圧を低くする観点から、図２（ｄ）に示すように、ＭＯＳトランジスタのドレインＤに印加される電源電圧ＶDDを、通常バイアス時以外ではＬｏｗレベルに設定してもよい。これによって、上記と同様、ＭＯＳトランジスタのドレインＤ端の電界を小さくでき、ホットエレクトロンによる暗電流発生の低減で、出力信号ＶOUTのダイナミックレンジやＳ／Ｎを向上させることができる。
また、ソースフォロワ回路１のＭＯＳトランジスタにおけるドレイン端の電界を小さくする観点から、ＭＯＳトランジスタ１を飽和領域からリニア領域に移行して動作させるようにしてもよい。
具体的には、図２（ｂ）に示すように、リセットゲートパルスφＲＧを、通常駆動していない期間、Ｈｉｇｈレベルに固定し、図２（ｃ）に示すように、リセットドレインＲＤに印加される電圧ＶRDを、通常バイアス（ＶDD）がかからない期間、ＶDDよりＨｉｇｈレベルに設定する。
これにより、ソースフォロワ回路１から信号の取り出しをしていない期間中はソースフォロワ回路１におけるＭＯＳトランジスタをリニア領域で動作させることができ、ＭＯＳトランジスタにおけるドレイン端の電界を小さくして、ホットエレクトロンによる暗電流発生を低減できるようになる。
１…ソースフォロワ回路、ＦＤ…フローティングディフュージョン、ＲＤ…リセットドレイン、Ｔ…水平電荷転送部
Claims (2)
- 受光量に応じた電荷を光電変換部で蓄積し、電荷転送部で転送して電荷電圧変換部を介してソースフォロワ回路から信号を取り出した後、前記電荷電圧変換部に転送された電荷をリセットゲートパルスによってリセットドレインに排出する固体撮像装置の駆動方法において、
前記ソースフォロワ回路から信号を取り出していない期間中、前記リセットゲートパルスをハイレベルに固定するとともに、前記リセットドレインに印加される電圧を前記信号の取り出し期間中よりも高く設定することで、前記ソースフォロワ回路におけるＭＯＳトランジスタのゲート−ドレイン間電圧を、前記信号の取り出し期間中より低く設定する
固体撮像装置の駆動方法。 - 受光量に応じた電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部で蓄積され電荷転送部で転送された電荷を信号に変換する電荷電圧変換部と、
前記電荷電圧変換部で変換された信号を取り出すソースフォロワ回路と、
前記電荷電圧変換部に転送された電荷をリセットゲートパルスによって排出するリセットドレインとを有する固体撮像装置において、
前記ソースフォロワ回路から信号を取り出していない期間中、前記リセットゲートパルスをハイレベルに固定するとともに、前記リセットドレインに印加される電圧を前記信号の取り出し期間中よりも高く設定することで、前記ソースフォロワ回路におけるＭＯＳトランジスタのゲート−ドレイン間電圧が、前記信号の取り出し期間中より低く設定される
固体撮像装置。
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