JP4888125B2 - Solid-state imaging device, imaging device - Google Patents

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本発明は、物理量分布検知の半導体装置の一例である固体撮像装置および撮像装置に関する。詳細には、たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする複数の単位構成要素が配列されてなり、単位構成要素によって電気信号に変換された物理量分布をアナログの電気信号やデジタルのデータとして読み出す仕組みに関する。特に、画像信号の読出し時に画素を間引いて出力する機能を備える仕組みに関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging device which are an example of a semiconductor device for physical quantity distribution detection. Specifically, for example, a plurality of unit components that are sensitive to electromagnetic waves input from the outside, such as light and radiation, are arranged, and the physical quantity distribution converted into an electric signal by the unit components is converted into an analog electrical signal. The present invention relates to a mechanism for reading out signals and digital data. In particular, the present invention relates to a mechanism having a function of thinning out and outputting pixels when reading an image signal.

たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波あるいは圧力(接触など)などの物理量変化に対して感応性をする単位構成要素(たとえば画素)をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知半導体装置が様々な分野で使われている。   For example, physical quantities formed by arranging multiple unit components (for example, pixels) that are sensitive to changes in physical quantities, such as electromagnetic waves input from outside such as light and radiation, or pressure (contact etc.) Distribution detection semiconductor devices are used in various fields.

一例として映像機器の分野では、物理量の一例である光(電磁波の一例)の変化を検知するCCD(Charge Coupled Device )型あるいはMOS(Metal Oxide Semiconductor ;金属酸化膜半導体)やCMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor; 相補金属酸化膜半導体)型の撮像素子(撮像デバイス)を用いた固体撮像装置が使われている。   For example, in the field of video equipment, a CCD (Charge Coupled Device) type, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) or CMOS (Complementary Metal-oxide) that detects a change in light (an example of an electromagnetic wave) which is an example of a physical quantity. A solid-state imaging device using a semiconductor (complementary metal oxide semiconductor) type imaging device (imaging device) is used.

近年では、固体撮像装置の一例として、CCDイメージセンサが持つ種々の問題を克服し得るMOSやCMOS型のイメージセンサが注目を集めている。   In recent years, MOS and CMOS type image sensors that can overcome various problems of CCD image sensors have attracted attention as an example of solid-state imaging devices.

たとえば、CMOSイメージセンサは、画素ごとにフローティングディフュージョンアンプなどによる増幅回路を持ち合わせており、画素信号の読出しに当たっては、アドレス制御の一例として、画素アレイ部の中のある1行を選択し、その1行分を同時にアクセスして行単位で、つまり1行分の全画素について同時並列的に、画素信号を画素アレイ部から読み出す、いわゆる列並列出力型あるいはカラム型と称される方式が多く用いられている。   For example, a CMOS image sensor has an amplifying circuit such as a floating diffusion amplifier for each pixel. When reading a pixel signal, one row in the pixel array unit is selected as an example of address control. A so-called column-parallel output type or column type is often used in which row signals are accessed simultaneously and in units of rows, that is, pixel signals are read from the pixel array unit simultaneously in parallel for all pixels in one row. ing.

また、コンピュータ機器の分野では、指紋に関する情報を圧力に基づく電気的特性の変化や光学的特性の変化に基づき指紋の像を検知する指紋認証装置などが使われている。これらは、単位構成要素(固体撮像装置にあっては画素)によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読み出す。   In the field of computer equipment, fingerprint authentication devices that detect fingerprint images based on changes in electrical characteristics based on pressure and changes in optical characteristics are used. These read out, as an electrical signal, a physical quantity distribution converted into an electrical signal by a unit component (a pixel in a solid-state imaging device).

また、固体撮像装置の中には、電荷生成部で生成された信号電荷に応じた画素信号を生成する画素信号生成部に増幅用の駆動トランジスタを有する増幅型固体撮像素子(APS;Active Pixel Sensor /ゲインセルとも言われる)構成の画素を備えた増幅型固体撮像装置がある。たとえば、CMOS型固体撮像装置の多くはそのような構成をなしている。   Further, in some solid-state imaging devices, an amplifying solid-state imaging device (APS; Active Pixel Sensor) that has a driving transistor for amplification in a pixel signal generation unit that generates a pixel signal corresponding to the signal charge generated in the charge generation unit. There is an amplification type solid-state imaging device including a pixel having a configuration (also referred to as / gain cell). For example, many CMOS solid-state imaging devices have such a configuration.

このような増幅型固体撮像装置において画素信号を外部に読み出すには、複数の単位画素が配列されている画素部に対してアドレス制御をし、個々の単位画素からの信号を決められたアドレスの順または任意に選択して読み出すようにしている。つまり、増幅型固体撮像装置は、アドレス制御型の固体撮像装置の一例である。   In such an amplification type solid-state imaging device, in order to read out a pixel signal to the outside, address control is performed on a pixel unit in which a plurality of unit pixels are arranged, and signals from individual unit pixels are assigned to a predetermined address. The data is read out in order or arbitrarily. That is, the amplification type solid-state imaging device is an example of an address control type solid-state imaging device.

たとえば、単位画素がマトリクス状に配されたX−Yアドレス型固体撮像装置の一種である増幅型固体撮像装置は、画素そのものに増幅機能を持たせるために、MOS構造などの能動素子(MOSトランジスタ)を用いて画素を構成している。すなわち、光電変換素子であるフォトダイオードに蓄積された信号電荷(光電子やホール)を前記能動素子で増幅し、画像情報として読み出す。   For example, an amplification type solid-state imaging device which is a kind of XY address type solid-state imaging device in which unit pixels are arranged in a matrix form an active element (MOS transistor) such as a MOS structure in order to give the pixel itself an amplification function. ) To form a pixel. That is, signal charges (photoelectrons and holes) accumulated in a photodiode which is a photoelectric conversion element are amplified by the active element and read out as image information.

ここで、近年の固体撮像装置の傾向としては、画素の微細化と高速化が顕著である。これらの共通の問題として感度が挙げられる。前者の微細化は受光部の縮小による画素あたり入射光量の減少に関係する。また、後者の高速化は露光時間の減少による入射光量の減少に関係する。   Here, as a trend of recent solid-state imaging devices, pixel miniaturization and high speed are remarkable. One common problem is sensitivity. The former miniaturization relates to a decrease in the amount of incident light per pixel due to a reduction in the light receiving portion. The latter increase in speed is related to a decrease in the amount of incident light due to a decrease in exposure time.

前者に対しては、たとえば、各画素セル内に保有していた回路の一部を複数の画素で共有することにより回路が占有する面積を低減し、光電変換部の面積を確保する仕組み(以下、画素共有方式と称する)が知られている。   For the former, for example, a mechanism for reducing the area occupied by the circuit by sharing a part of the circuit held in each pixel cell by a plurality of pixels and securing the area of the photoelectric conversion unit (hereinafter referred to as “the photoelectric conversion unit”). Is called a pixel sharing method).

特開2006−054276号公報JP 2006-054276 A

特許文献1では、2次元アレイ(画素アレイ部、撮像部)中で斜めに隣り合う2つの光電変換部の間に1つの電圧変換部を配置して、その1つの電圧変換部を2つの光電変換部が共用するように構成することで、電圧変換部周辺に発生する無効領域の発生を抑制し、これによって画素面積に対しての光電変換部の領域面積を確保し、また光電変換部を各画素における光学中心に配置して光学的な画素中心を2次元的に等間隔に配置する仕組みが提案されている。   In Patent Document 1, one voltage conversion unit is arranged between two photoelectric conversion units that are obliquely adjacent to each other in a two-dimensional array (pixel array unit, imaging unit), and the one voltage conversion unit is converted into two photoelectric conversion units. By configuring so that the conversion unit is shared, the generation of invalid regions around the voltage conversion unit is suppressed, thereby ensuring the area of the photoelectric conversion unit relative to the pixel area, and the photoelectric conversion unit A mechanism has been proposed in which the optical pixel centers are two-dimensionally arranged at equal intervals by being arranged at the optical center of each pixel.

一方、画素信号の読出処理時間を短縮する高速化方式という観点では、画素アレイ部(撮像部)の全ての画素から画素信号を読み出すのではなく、たとえば行単位や列単位のように、一部の画素信号のみを読み出す間引き読みがある。この間引き読みを画素共有方式と併用することも考えられる。   On the other hand, from the viewpoint of a high-speed method for shortening the readout processing time of pixel signals, pixel signals are not read out from all the pixels of the pixel array unit (imaging unit), but a part thereof, for example, in units of rows or columns There is thinning-out reading that reads out only the pixel signal of the first pixel. It is also conceivable to use this thinning-out reading together with the pixel sharing method.

しかしながら、行単位や列単位(以下行単位で代表して記す)で間引き読みを行なうと、読出し動作の行なわれない間引き行と間引かれない読出し行とで、画素に対する駆動条件(トランジスタの駆動頻度)が異なることに起因して、様々な問題が生じてしまう。   However, when thinning-out reading is performed in units of rows or columns (hereinafter, representatively in units of rows), driving conditions for the pixels (transistor driving) are determined depending on whether the thinning-out row is not read out or the readout row is not thinned out. Due to the difference in frequency), various problems occur.

その一例として、間引かれる行では露光があるものの読出し動作が行なわれないので、光電変換部で生成された電荷が溢れ、読出し行に影響を与えてしまう現象(ブルーミング現象と称する)がある。   As an example, there is a phenomenon (referred to as blooming phenomenon) in which the thinned out rows are exposed but are not read out, so that the charge generated in the photoelectric conversion unit overflows and affects the read out rows.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、間引き読出し時に生じ得るブルーミング現象を緩和し、良好な画質を維持することができる仕組み提供することを目的とする。特に、画素共有構造との組合せにおいても、ブルーミング現象を緩和しつつ、そのブルーミング現象対策の影響が共有画素群内の読出し行の動作に悪影響を与えることのない仕組み、あるいはその悪影響の度合いが小さい仕組みを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a mechanism that can alleviate a blooming phenomenon that may occur during thinning-out reading and maintain good image quality. In particular, even in combination with the pixel sharing structure, a mechanism in which the influence of the countermeasure against the blooming phenomenon does not adversely affect the operation of the readout row in the shared pixel group or the degree of the adverse effect is small while reducing the blooming phenomenon. The purpose is to provide a mechanism.

本発明に掛る固体撮像装置の一実施形態は、物理量の変化を電荷によって検知する検知部(光電変換部などのフォトダイオードが典型例)、検知部で検知された電荷を画素信号に変換する画素信号生成部(フローティングディフュージョン構造の増幅アンプが典型例)、入力される転送制御電位に基づいて検知部で検知された電荷を画素信号生成部へ転送する転送部(転送トランジスタが典型例)、および入力される初期化制御電位に基づいて画素信号生成部の電位を初期化する初期化部(リセットトランジスタが典型例)を有する単位画素の内の一部の要素を複数の単位画素で共有した構成を持つ単位画素群がマトリクス状に配列された画素アレイ部と、画素アレイ部の一部の単位画素の画素信号を、たとえば行単位あるいは列単位で読み出す間引き読出しモードで単位画素を制御する駆動制御部とを備えるものとした。   An embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention includes a detection unit (typically a photodiode such as a photoelectric conversion unit) that detects a change in a physical quantity by charge, and a pixel that converts charge detected by the detection unit into a pixel signal. A signal generation unit (amplification amplifier having a floating diffusion structure is a typical example), a transfer unit (typically a transfer transistor) that transfers charges detected by the detection unit to the pixel signal generation unit based on an input transfer control potential, and A configuration in which a part of unit pixels having an initialization unit (typically a reset transistor) that initializes the potential of the pixel signal generation unit based on an input initialization control potential is shared by a plurality of unit pixels Read pixel signals of a pixel array unit in which unit pixel groups having a matrix are arranged and a part of unit pixel of the pixel array unit, for example, in units of rows or columns. It was assumed and a drive control unit for controlling the unit pixels in to thinning readout mode.

ここで、駆動制御部は、間引き読出しモード時に、画素共有構造に配慮しつつ、つまり間引き行が読出し動作行と共有関係にあるか否かに応じて、間引かれる単位画素の検知部で溢れる電荷が、当該間引かれる単位画素の画素信号生成部側に転送され易い状態となるように、当該間引かれる単位画素の転送部に供給する転送制御電位であるブルーミング対策電位を制御するようにする。   Here, in the thinning readout mode, the drive control unit overflows with the detection unit of the thinned unit pixels in consideration of the pixel sharing structure, that is, depending on whether the thinning row is shared with the readout operation row. The blooming countermeasure potential, which is a transfer control potential supplied to the transfer unit of the thinned unit pixel, is controlled so that the charge is easily transferred to the pixel signal generation unit side of the thinned unit pixel. To do.

間引かれる単位画素の転送部に対して、このようなブルーミング対策電位の制御を行なうことで、 通常のインアクティブレベルを供給する場合に比べて、転送部の転送電極下のポテンシャル障壁を下げる。これにより、フォトダイオードを始めとする検知部内に溢れた不要な電荷は、画素信号生成部側に排出され易い状態になる。   By controlling such a blooming countermeasure potential for the transfer unit of the unit pixel to be thinned out, the potential barrier below the transfer electrode of the transfer unit is lowered as compared with the case of supplying a normal inactive level. As a result, unnecessary charges overflowing in the detection unit including the photodiode are easily discharged to the pixel signal generation unit side.

ここで、本発明に掛る固体撮像装置の一実施形態の特徴点として、間引き行が読出し動作行と共有関係にあるか否かに応じて、間引き行の転送部へのブルーミング対策電位の供給を制御する。具体的には、間引き対象の単位画素が読出し動作の単位画素と画素共有の関係となるときには、間引きされる単位画素の転送部に対してはブルーミング対策電位の供給を停止し、よりインアクティブ側の電位(たとえばインアクティブ状態を規定する電位と等しくしてもよい)を供給する。   Here, as a feature of the embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention, the supply of the blooming countermeasure potential to the transfer unit of the thinning row is performed depending on whether the thinning row is shared with the reading operation row. Control. Specifically, when the unit pixel to be thinned has a pixel sharing relationship with the unit pixel for the readout operation, the supply of the blooming countermeasure potential is stopped to the transfer unit of the thinned unit pixel, and the inactive side (For example, it may be equal to the potential defining the inactive state).

実際の動作としては、読出し動作の対象となる単位画素が順次切り替っていくので、それに合わせて、ブルーミング対策電位の供給と、よりインアクティブ側の電位の供給とを切り替えていくことになる。   In actual operation, the unit pixels to be read are sequentially switched, and accordingly, the supply of the blooming countermeasure potential and the supply of the more inactive potential are switched.

また従属項に記載された発明は、本発明に掛る表示装置の一実施形態のさらなる有利な具体例を規定する。   The invention described in the dependent claims defines further advantageous specific examples of one embodiment of the display device according to the present invention.

たとえば、ブルーミング対策電位は、先ずはインアクティブレベルよりもアクティブレベル側の電位であればよいのであるが、信頼性や暗電流の観点からは、過剰にアクティブレベル側の電位であることは好ましくない。よって、インアクティブレベルとアクティブレベルの間の適度な電位(中間電位)であることが実際上は好ましいことになる。   For example, the anti-blooming potential may be a potential on the active level side rather than the inactive level, but from the viewpoint of reliability and dark current, an excessive potential on the active level side is not preferable. . Therefore, in practice, an appropriate potential (intermediate potential) between the inactive level and the active level is preferable.

ここで、間引かれる単位画素の転送部に対して供給するブルーミング対策電位は、既に他の目的で中間電位に相当するような電位が使用されていれば、それを使用するのがよい。アクティブレベルとインアクティブレベルとの間にブルーミング対策電位を専用に設けて使用してもよいが、その場合、そのブルーミング対策電位を発生する回路の対処が別途必要となるので、既に存在する他の目的用の中間電位そのものをブルーミング対策用電位として兼用する方が回路構成をコンパクトにできる利点がある。   Here, as a countermeasure against blooming supplied to the transfer unit of the unit pixel to be thinned out, if a potential corresponding to the intermediate potential has already been used for another purpose, it is preferable to use it. A dedicated anti-blooming potential may be provided between the active level and the inactive level. However, in this case, it is necessary to deal with a circuit that generates the anti-blooming potential. There is an advantage that the circuit configuration can be made compact by using the intermediate potential for the purpose itself as a potential for preventing blooming.

ここで、「他の目的で」とは、転送部を駆動する転送制御電位そのものがブルーミング対策用以外で使用しているものであってもよいし、初期化部を駆動する初期化制御電位であってもよいし、その他の単位画素を駆動する制御電位であってもよいし、極端な事例では、単位画素を駆動する制御電位に限らず、固体撮像装置を構成する他の要素を制御する制御電位であってもよい。   Here, “for other purposes” means that the transfer control potential for driving the transfer unit itself may be used for other than the countermeasure against blooming, or the initialization control potential for driving the initialization unit. It may be a control potential for driving other unit pixels, and in an extreme case, it is not limited to a control potential for driving unit pixels, but controls other elements constituting the solid-state imaging device. It may be a control potential.

あるいは、間引かれる単位画素の転送部に対して供給するブルーミング対策電位は、 実際には電位を持たないフローティング状態としてもよい。本明細書において、「ブルーミング対策電位」は、ブルーミング現象を抑制可能な、ある大きさを持つ電位だけでなく、電位としての大きさを持たないフローティング状態も含む意味である。   Alternatively, the blooming countermeasure potential supplied to the transfer unit of the thinned unit pixel may be in a floating state that actually does not have a potential. In this specification, the “blooming countermeasure potential” means not only a potential having a certain magnitude that can suppress a blooming phenomenon but also a floating state that does not have a magnitude as a potential.

なお、間引かれる単位画素の転送部に対して、ブルーミング対策電位の制御を行なうことで検知部内に溢れた不要な電荷を画素信号生成部側に排出すると、その排出された電荷の処理も考慮すべきである。   In addition, if unnecessary charge overflowing in the detection unit is discharged to the pixel signal generation unit by controlling the blooming countermeasure potential for the transfer unit of the unit pixel to be thinned out, the processing of the discharged charge is also considered. Should.

その対処の第1例としては、初期化部をディプレッション構造のトランジスタを有するものとするのが好適な方法である。ディプレッション構造を採用すれば、制御電圧をインアクティブにしておたままでも、リーク電流の動作を利用することで、自動的に初期化部の検知部から転送されてきた不要な電荷を電源側に排出することができる。   As a first example of the countermeasure, it is preferable that the initialization unit includes a depletion structure transistor. By adopting the depletion structure, even if the control voltage is kept inactive, the leakage current operation is used to automatically discharge unnecessary charges transferred from the detection unit of the initialization unit to the power supply side. can do.

また、第1例を採用しない場合には、間引かれる単位画素の初期化部を制御して、ブルーミング対策電位の転送部への供給によって画素信号生成部に転送された電荷を排出させるのがよい。この動作は、通常の読出し動作におけるシャッタ動作のように読出動作行との連動処理が不要であり、シャッタ動作行や読出動作行の制御に影響のない適当なタイミングで行なえばよい。   If the first example is not adopted, the initialization unit of the unit pixel to be thinned out may be controlled to discharge the charge transferred to the pixel signal generation unit by supplying the blooming countermeasure potential to the transfer unit. Good. This operation does not require the interlocking process with the read operation row as in the shutter operation in the normal read operation, and may be performed at an appropriate timing that does not affect the control of the shutter operation row and the read operation row.

なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とが纏めてパッケージングされた、撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。   Note that the solid-state imaging device may have a form formed as a single chip, or a module-like form having an imaging function in which an imaging unit and a signal processing unit or an optical system are packaged together. Also good.

また、本発明は、固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置として、固体撮像装置と同様の効果が得られる。ここで、撮像装置は、たとえば、カメラ(あるいはカメラシステム)や撮像機能を有する携帯機器のことを示す。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時の像の撮り込みだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。   Further, the present invention can be applied not only to a solid-state imaging device but also to an imaging device. In this case, the same effect as the solid-state imaging device can be obtained as the imaging device. Here, the imaging device indicates, for example, a camera (or camera system) or a portable device having an imaging function. “Imaging” includes not only capturing an image during normal camera shooting, but also includes fingerprint detection in a broad sense.

本発明の一実施形態によれば、間引き読出しモード時に、間引かれる単位画素に関して、その転送部に供給する転送制御電位を、検知部で溢れる電荷が画素信号生成部側に転送され易い状態となるブルーミング対策電位に設定する。これにより、検知部内に溢れた不要な電荷は画素信号生成部側に排出され易い状態になるので、間引きされた単位画素で生じる電荷が溢れて隣接する読出し動作の単位画素に漏れ込むというブルーミング現象を抑制できる。   According to one embodiment of the present invention, the transfer control potential supplied to the transfer unit for the unit pixel to be thinned out in the thinning-out reading mode is in a state in which charges overflowing in the detection unit are easily transferred to the pixel signal generation unit side. Set to the blooming countermeasure potential. As a result, unnecessary charges overflowing in the detection unit are easily discharged to the pixel signal generation unit, so that the blooming phenomenon in which the charge generated in the thinned unit pixels overflows and leaks to the adjacent unit pixel of the reading operation. Can be suppressed.

このとき、画素アレイ部が画素共有構造の単位画素群で構成されている点を考慮して、間引き対象の単位画素が読出し動作の単位画素と画素共有の関係となるときには、間引きされる単位画素の転送部に対してはブルーミング対策電位の供給を停止し、よりインアクティブ側の電位を供給するので、間引きされる単位画素の検知部から読出し動作の単位画素の画素信号生成部への信号の漏れ込みによる信号レベル変動の発生を防止できる。   At this time, considering that the pixel array unit is configured by a unit pixel group having a pixel sharing structure, when the unit pixel to be thinned has a pixel sharing relationship with the unit pixel of the reading operation, the unit pixel to be thinned out Since the supply of the anti-blooming potential is stopped and the potential on the inactive side is supplied to the transfer unit, the signal from the detection unit of the thinned unit pixel to the pixel signal generation unit of the unit pixel of the read operation It is possible to prevent signal level fluctuations due to leakage.

画素共有構造との組合せにおいても、ブルーミング現象を緩和しつつ、そのブルーミング現象対策の影響が共有画素群内の読出し行の動作に悪影響を与えることのない仕組み、あるいはその悪影響の度合いが小さい仕組みを実現できる。   Even in combination with the pixel sharing structure, while reducing the blooming phenomenon, a mechanism in which the influence of the countermeasure against the blooming phenomenon does not adversely affect the operation of the readout row in the shared pixel group, or a mechanism with a small degree of the adverse effect. realizable.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下においては、X−Yアドレス型の固体撮像装置の一例である、CMOS固体撮像装置をデバイスとして使用した場合を例に説明する。また、CMOS固体撮像装置は、全ての画素がNMOSよりなるものであるとして説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, a case where a CMOS solid-state imaging device, which is an example of an XY address type solid-state imaging device, is used as a device will be described as an example. The CMOS solid-state imaging device will be described on the assumption that all pixels are made of NMOS.

特に、本実施形態の固体撮像装置では、画素アレイ部を構成する単位構成要素として、単位画素の内の一部の要素を複数の単位画素で共有した構成を持つ画素共有構造の単位画素群を備える点に特徴を有する。   In particular, in the solid-state imaging device according to the present embodiment, a unit pixel group having a pixel sharing structure having a configuration in which some of the unit pixels are shared by a plurality of unit pixels is used as a unit component constituting the pixel array unit. It is characterized in that it is provided.

ただしこれは一例であって、対象となるデバイスはMOS型の固体撮像装置に限らない。光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする単位構成要素をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知用の半導体装置の全てに、後述する全ての実施形態が同様に適用できる。   However, this is an example, and the target device is not limited to the MOS type solid-state imaging device. All the semiconductor device for physical quantity distribution detection in which a plurality of unit components that are sensitive to electromagnetic waves input from outside such as light and radiation are arranged in a line or matrix form, and all implementations described later. Forms are applicable as well.

<固体撮像装置の全体概要>
図1は、本発明に掛る固体撮像装置の一実施形態であるCMOS固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略構成図である。
<Overview of solid-state imaging device>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a CMOS solid-state imaging device (CMOS image sensor) which is an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention.

固体撮像装置1は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子(電荷生成部の一例)を含む複数個の画素が行および列に配列された(すなわち2次元マトリクス状の)画素部を有し、各画素からの信号出力が電圧信号であって、CDS(Correlated Double Sampling ;相関2重サンプリング)処理機能部やデジタル変換部(ADC;Analog Digital Converter)などが列並列に設けられているものである。   The solid-state imaging device 1 has a pixel unit in which a plurality of pixels including a light receiving element (an example of a charge generation unit) that outputs a signal corresponding to an incident light amount is arranged in rows and columns (that is, in a two-dimensional matrix). The signal output from each pixel is a voltage signal, and a CDS (Correlated Double Sampling) processing function unit, a digital conversion unit (ADC), etc. are provided in parallel in a column. It is.

“列並列にCDS処理機能部やデジタル変換部が設けられている”とは、垂直列の垂直信号線(列信号線の一例)19に対して実質的に並列に複数のCDS処理機能部やデジタル変換部が設けられていることを意味する。   “A CDS processing function unit and a digital conversion unit are provided in parallel in a column” means that a plurality of CDS processing function units substantially parallel to a vertical signal line (an example of a column signal line) 19 in a vertical column This means that a digital conversion unit is provided.

複数の各機能部は、デバイスを平面視したときに、ともに画素アレイ部10に対して列方向の一方の端縁側(図の下側に配されている出力側)にのみ配されている形態のものであってもよいし、画素アレイ部10に対して列方向の一方の端縁側(図の下側に配されている出力側)とその反対側である他方の端縁側(図の上側)に分けて配されている形態のものであってもよい。後者の場合、行方向の読出走査(水平走査)を行なう水平走査部も、各端縁側に分けて配して、それぞれが独立に動作可能に構成するのがよい。   Each of the plurality of functional units is arranged only on one end side in the column direction with respect to the pixel array unit 10 (output side arranged on the lower side of the drawing) when the device is viewed in plan view. Or one end side in the column direction (output side arranged on the lower side of the figure) and the other end side opposite to the pixel array unit 10 (upper side in the figure). ) May be arranged separately. In the latter case, it is preferable that the horizontal scanning unit that performs readout scanning (horizontal scanning) in the row direction is also arranged separately on each edge side so that each can operate independently.

たとえば、列並列にCDS処理機能部やデジタル変換部が設けられている典型例としては、撮像部の出力側に設けたカラム領域と呼ばれる部分に、CDS処理機能部やその他のアナログ信号処理部やデジタル変換部を垂直列ごとに設け、順次出力側に読み出す、垂直列とCDS処理機能部やデジタル変換部などが1対1に接続されるカラム型のものである。また、カラム型(列並列型)に限らず、隣接する複数(たとえば2つ分)の垂直信号線19(垂直列)に対して1つのCDS処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態や、N本おき(Nは正の整数;間にN−1本を配する)のN本分の垂直信号線19(垂直列)に対して1つのCDS処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態などを採ることもできる。   For example, as a typical example in which a CDS processing function unit and a digital conversion unit are provided in parallel in a column, a CDS processing function unit and other analog signal processing units, A digital conversion unit is provided for each vertical column, and the vertical column, a CDS processing function unit, a digital conversion unit, and the like that are sequentially read out to the output side are connected in a one-to-one relationship. In addition to the column type (column parallel type), one CDS processing function unit or digital conversion unit is allocated to a plurality of adjacent (for example, two) vertical signal lines 19 (vertical columns), N A mode in which one CDS processing function unit or digital conversion unit is allocated to N vertical signal lines 19 (vertical columns) every other number (N is a positive integer; N−1 are arranged therebetween). It can also be taken.

カラム型を除くものは、何れの形態も、複数の垂直信号線19(垂直列)が1つのCDS処理機能部やデジタル変換部を共通に使用する構成となるので、画素アレイ部10側から供給される複数列分の画素信号を1つのCDS処理機能部やデジタル変換部に供給する切替回路(スイッチ)を設ける。なお、後段の処理によっては、出力信号を保持するメモリを設けるなどの対処が別途必要になる。   Except for the column type, in any form, since a plurality of vertical signal lines 19 (vertical columns) commonly use one CDS processing function unit and digital conversion unit, they are supplied from the pixel array unit 10 side. A switching circuit (switch) that supplies pixel signals for a plurality of columns to one CDS processing function unit or digital conversion unit is provided. Depending on the subsequent processing, a separate measure such as providing a memory for holding the output signal is required.

何れにしても、複数の垂直信号線19(垂直列)に対して1つのCDS処理機能部やデジタル変換部を割り当てる形態などを採ることで、各画素信号の信号処理を画素列単位で読み出した後に行なうことで、同様の信号処理を各単位画素内で行なうものに比べて、各単位画素内の構成を簡素化し、イメージセンサの多画素化、小型化、低コスト化などに対応できる。   In any case, the signal processing of each pixel signal is read out in units of pixel columns by adopting a form in which one CDS processing function unit or digital conversion unit is assigned to a plurality of vertical signal lines 19 (vertical columns). By performing the processing later, the configuration in each unit pixel can be simplified and the number of pixels of the image sensor can be reduced, the size can be reduced, and the cost can be reduced as compared with the case where the same signal processing is performed in each unit pixel.

また、列並列に配された複数の信号処理部にて1行分の画素信号を同時並行処理することができるので、出力回路側やデバイスの外部で1つのCDS処理機能部やデジタル変換部にて処理を行なう場合に比べて、信号処理部を低速で動作させることができ、消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利である。逆に言えば、消費電力や帯域性能などを同じにする場合、センサ全体の高速動作が可能となる。   In addition, since a plurality of signal processing units arranged in parallel in a column can simultaneously process pixel signals for one row, one CDS processing function unit or digital conversion unit is provided on the output circuit side or outside the device. Therefore, the signal processing unit can be operated at a low speed as compared with the case where processing is performed, which is advantageous in terms of power consumption, bandwidth performance, noise, and the like. In other words, when the power consumption and bandwidth performance are the same, the entire sensor can be operated at high speed.

なお、カラム型の構成の場合、低速で動作させることができ消費電力や帯域性能やノイズなどの面で有利であるとともに切替回路(スイッチ)が不要である利点もある。以下の実施形態では、特に断りのない限り、このカラム型で説明する。   In the case of a column type configuration, it can be operated at a low speed, which is advantageous in terms of power consumption, bandwidth performance, noise, and the like, and has an advantage that a switching circuit (switch) is unnecessary. In the following embodiments, this column type will be described unless otherwise specified.

図1に示すように、本実施形態の固体撮像装置1は、単位画素3の内の一部の要素を複数の単位画素3で共有した構成を持つ画素共有構造の単位画素群2が行および列に配列された画素部や撮像部などとも称される画素アレイ部10と、画素アレイ部10の外側に設けられた駆動制御部7と、画素アレイ部10の単位画素3に画素信号読出用の動作電流(読出電流)を供給する読出電流源部24と、垂直列ごとに配されたカラムAD回路25を有するカラム処理部26と、カラム処理部26にAD変換用の参照信号Vslopを供給する参照信号生成部27と、出力回路28とを備えている。これらの各機能部は、同一の半導体基板上に設けられている。   As shown in FIG. 1, in the solid-state imaging device 1 of the present embodiment, a unit pixel group 2 having a pixel sharing structure having a configuration in which some of the unit pixels 3 are shared by a plurality of unit pixels 3 includes rows and A pixel array unit 10, which is also referred to as a pixel unit or an imaging unit arranged in a column, a drive control unit 7 provided outside the pixel array unit 10, and a pixel signal reading unit pixel 3 in the pixel array unit 10 Read current source section 24 for supplying the operating current (read current), a column processing section 26 having a column AD circuit 25 arranged for each vertical column, and supplying a reference signal Vslop for AD conversion to the column processing section 26 The reference signal generation unit 27 and the output circuit 28 are provided. Each of these functional units is provided on the same semiconductor substrate.

なお、参照信号Vslopは、全体的にある傾きを持って線形に変化する波形を持つものであればよく、その変化が滑らかなスロープ状を呈するものであってもよいし、階段状に順次変化するものであってもよい。   The reference signal Vslop may be any signal as long as it has a linearly changing waveform with a certain slope as a whole. The reference signal Vslop may have a smooth slope shape, or may change in a stepwise manner. You may do.

本実施形態のカラムAD回路25は、画素信号Soの基準レベルであるリセットレベルSrst と信号レベルSsig とを独立にデジタルデータに変換するAD変換部と、リセットレベルSrst のAD変換結果と信号レベルSsig のAD変換結果との間で差分処理を実行することで、リセットレベルSrst と信号レベルSsig の差で示される信号成分のデジタルデータを取得する差分処理部の機能を備えている。   The column AD circuit 25 of the present embodiment includes an AD conversion unit that independently converts the reset level Srst and the signal level Ssig, which are reference levels of the pixel signal So, into digital data, an AD conversion result of the reset level Srst, and a signal level Ssig. By executing a difference process between the AD conversion results of the first and second AD conversion results, a function of a difference processing unit for acquiring digital data of a signal component indicated by the difference between the reset level Srst and the signal level Ssig is provided.

なお、カラム処理部26の前段または後段には、必要に応じて信号増幅機能を持つAGC(Auto Gain Control) 回路などをカラム処理部26と同一の半導体領域に設けることも可能である。カラム処理部26の前段でAGCを行なう場合にはアナログ増幅、カラム処理部26の後段でAGCを行なう場合にはデジタル増幅となる。nビットのデジタルデータを単純に増幅してしまうと、階調が損なわれてしまう可能性があるため、どちらかというとアナログにて増幅した後にデジタル変換するのが好ましいと考えられる。   In addition, an AGC (Auto Gain Control) circuit having a signal amplification function or the like can be provided in the same semiconductor region as the column processing unit 26 as needed before or after the column processing unit 26. When AGC is performed before the column processing unit 26, analog amplification is performed. When AGC is performed after the column processing unit 26, digital amplification is performed. If the n-bit digital data is simply amplified, the gradation may be lost. Therefore, it is preferable to perform digital conversion after amplification by analog.

駆動制御部7は、画素アレイ部10の信号を順次読み出すための制御回路機能を備えている。たとえば駆動制御部7としては、列アドレスや列走査を制御する水平デコーダ12aおよび水平駆動部12bを有する水平走査回路(列走査回路)12と、行アドレスや行走査を制御する垂直デコーダ14aおよび垂直駆動部14bを有する垂直走査回路(行走査回路)14と、内部クロックを生成するなどの機能を持つ通信・タイミング制御部20とを備えている。   The drive control unit 7 has a control circuit function for sequentially reading signals from the pixel array unit 10. For example, the drive control unit 7 includes a horizontal scanning circuit (column scanning circuit) 12 having a horizontal decoder 12a and a horizontal driving unit 12b for controlling column addresses and column scanning, a vertical decoder 14a and a vertical decoder for controlling row addresses and row scanning. A vertical scanning circuit (row scanning circuit) 14 having a driving unit 14b and a communication / timing control unit 20 having a function of generating an internal clock are provided.

なお、図示を割愛するが、高速クロック生成部の一例であって、入力されたクロック周波数よりも高速のクロック周波数のパルスを生成するクロック変換部を設けるようにしてもよい。通信・タイミング制御部20は、端子5aを介して入力される入力クロック(マスタークロック)CLK0やクロック変換部で生成された高速クロックに基づいて内部クロックを生成する。   Although illustration is omitted, a clock conversion unit that is an example of a high-speed clock generation unit and generates a pulse having a clock frequency faster than the input clock frequency may be provided. The communication / timing control unit 20 generates an internal clock based on the input clock (master clock) CLK0 input via the terminal 5a and the high-speed clock generated by the clock conversion unit.

クロック変換部で生成された高速クロックを源とする信号を用いることで、AD変換処理などを高速に動作させることができるようになる。また、高速クロックを用いて、高速の計算を必要とする動き抽出や圧縮処理を行なうことができる。また、カラム処理部26から出力されるパラレルデータをシリアルデータ化してデバイス外部に映像データD1を出力することもできる。こうすることで、AD変換されたデジタルデータのビット分よりも少ない端子で高速動作出力する構成を採ることができる。   By using a signal derived from the high-speed clock generated by the clock converter, AD conversion processing and the like can be operated at high speed. Also, motion extraction and compression processing requiring high-speed calculation can be performed using a high-speed clock. Also, the parallel data output from the column processing unit 26 can be converted into serial data and the video data D1 can be output outside the device. By doing so, it is possible to adopt a configuration in which high-speed operation output is performed with a smaller number of terminals than the number of bits of AD-converted digital data.

図1では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、各行や各列には、数十から数千の単位画素3(事実上、単位画素群2)が配置される。この単位画素3は、典型的には、検知部の一例である受光素子(電荷生成部)としてのフォトダイオードと、増幅用の半導体素子(たとえばトランジスタ)を有する画素内アンプとから構成される。   In FIG. 1, for the sake of simplicity, some of the rows and columns are omitted, but in reality, each row or column has several tens to thousands of unit pixels 3 (in fact, unit pixel group 2 ) Is arranged. The unit pixel 3 is typically composed of a photodiode as a light receiving element (charge generation unit) which is an example of a detection unit, and an in-pixel amplifier having an amplification semiconductor element (for example, a transistor).

画素内アンプとしては、単位画素3の電荷生成部で生成・蓄積された信号電荷を電気信号として出力することができるものであればよく、様々な構成を採ることができるが、一般的には、フローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部(転送ゲート部/読出ゲート部)の一例である読出選択用トランジスタを有する転送部、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタを有する初期化部、垂直選択用トランジスタ、およびフローティングディフュージョン(フローティングノードとも称される)の電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する、CMOSセンサとして汎用的な4つのトランジスタからなる構成のものを使用することができる(たとえば後述の図2Aを参照)。   The intra-pixel amplifier is not limited as long as it can output the signal charge generated and accumulated in the charge generation unit of the unit pixel 3 as an electric signal, and various configurations can be adopted. A floating diffusion amplifier configuration is used. As an example, a transfer unit having a read selection transistor as an example of a charge readout unit (transfer gate unit / read gate unit) and an initialization unit having a reset transistor as an example of a reset gate unit with respect to the charge generation unit , A vertical selection transistor, and a transistor for amplifying a source follower which is an example of a detection element for detecting a potential change of a floating diffusion (also referred to as a floating node). A configuration can be used (see, eg, FIG. 2A below).

あるいは、電荷生成部により生成された信号電荷に対応する信号電圧を増幅するための、ドレイン線(DRN)に接続された増幅用トランジスタと、電荷生成部をリセットするためのリセットトランジスタと、垂直シフトレジスタより転送配線(TRF)を介して走査される読出選択用トランジスタ(転送ゲート部)を有する、3つのトランジスタからなる構成のものを使用することもできる。   Alternatively, an amplifying transistor connected to the drain line (DRN) for amplifying a signal voltage corresponding to the signal charge generated by the charge generating unit, a reset transistor for resetting the charge generating unit, and a vertical shift It is also possible to use a transistor composed of three transistors having a read selection transistor (transfer gate portion) scanned from a register via a transfer wiring (TRF).

なお、固体撮像装置1は、色分解(色分離)フィルタを使用することで、画素アレイ部10をカラー撮像対応にすることができる。すなわち、画素アレイ部10における各電荷生成部(フォトダイオードなど)の電磁波(本例では光)が入射される受光面に、カラー画像を撮像するための複数色の色フィルタの組合せからなる色分解フィルタの何れの色フィルタを、たとえばいわゆるベイヤー(Bayer)配列などにして設けることで、カラー画像撮像対応とする。   Note that the solid-state imaging device 1 can make the pixel array unit 10 compatible with color imaging by using a color separation (color separation) filter. That is, color separation comprising a combination of a plurality of color filters for capturing a color image on a light receiving surface on which electromagnetic waves (light in this example) of each charge generation unit (photodiode, etc.) in the pixel array unit 10 are incident. Any color filter of the filter is provided in, for example, a so-called Bayer array, so that color image capturing is supported.

単位画素3は、行選択のための行制御線15を介して垂直走査部14と、また垂直信号線19を介してカラムAD回路25が垂直列ごとに設けられているカラム処理部26と、それぞれ接続されている。ここで、行制御線15は垂直走査部14から画素に入る配線全般を示す。   The unit pixel 3 includes a vertical scanning unit 14 via a row control line 15 for row selection, a column processing unit 26 in which a column AD circuit 25 is provided for each vertical column via a vertical signal line 19, Each is connected. Here, the row control line 15 indicates the entire wiring that enters the pixel from the vertical scanning unit 14.

水平走査回路12は、カラム処理部26からカウント値を水平信号線18へ読み出す読出走査部の機能を持つ。   The horizontal scanning circuit 12 has a function of a reading scanning unit that reads a count value from the column processing unit 26 to the horizontal signal line 18.

水平走査部12や垂直走査回路14などの駆動制御部7の各要素は、画素アレイ部10とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体システムの一例である固体撮像装置として構成される。   Each element of the drive control unit 7 such as the horizontal scanning unit 12 and the vertical scanning circuit 14 is integrally formed with the pixel array unit 10 in a semiconductor region such as single crystal silicon using a technique similar to the semiconductor integrated circuit manufacturing technique. And configured as a solid-state imaging device which is an example of a semiconductor system.

これらの各機能部は、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成されたいわゆる1チップもの(同一の半導体基板上に設けられているもの)として、半導体システムの一例であるCMOSイメージセンサとして、本実施形態の固体撮像装置1の一部をなすように構成される。   Each of these functional units is a so-called one-chip unit (provided on the same semiconductor substrate) integrally formed in a semiconductor region such as single crystal silicon using a technique similar to the semiconductor integrated circuit manufacturing technique. As a CMOS image sensor which is an example of a semiconductor system, the solid-state imaging device 1 of the present embodiment is configured to be a part.

なお、固体撮像装置1は、このように各部が半導体領域に一体的に形成された1チップとして形成された形態であってもよいし、図示を割愛するが、画素アレイ部10、駆動制御部7、カラム処理部26などの各種の信号処理部の他に、撮影レンズ、光学ローパスフィルタ、あるいは赤外光カットフィルタなどの光学系をも含む状態で、これらを纏めてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態としてもよい。   Note that the solid-state imaging device 1 may be configured as one chip in which each unit is integrally formed in the semiconductor region as described above. Although not illustrated, the pixel array unit 10 and the drive control unit are omitted. 7. In addition to various signal processing units such as the column processing unit 26, an imaging function in which these are collectively packaged in a state including an optical system such as a photographing lens, an optical low-pass filter, or an infrared light cut filter It is good also as a modular form which has.

水平走査部12や垂直走査部14は、たとえばデコーダを含んで構成され、通信・タイミング制御部20から与えられる制御信号CN1,CN2に応答してシフト動作(走査)を開始するようになっている。このためたとえば、行制御線15には、単位画素3を駆動するための種々のパルス信号(たとえば、初期化制御電位を規定する画素リセットパルスRST 、転送制御電位を規定する転送パルスTRG 、垂直選択パルスVSELなど)が含まれる。   The horizontal scanning unit 12 and the vertical scanning unit 14 include, for example, a decoder, and start a shift operation (scanning) in response to control signals CN1 and CN2 supplied from the communication / timing control unit 20. . For this reason, for example, the row control line 15 includes various pulse signals for driving the unit pixel 3 (for example, a pixel reset pulse RST that defines an initialization control potential, a transfer pulse TRG that defines a transfer control potential, a vertical selection) Pulse VSEL, etc.).

通信・タイミング制御部20は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータTG(読出アドレス制御装置の一例)の機能ブロックと、端子5aを介して外部の主制御部から供給されるマスタークロックCLK0を受け取り、また端子5bを介して外部の主制御部から供給される動作モードなどを指令するデータを受け取り、さらに固体撮像装置1の情報を含むデータを外部の主制御部に出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。   Although not shown, the communication / timing control unit 20 is externally connected via a functional block of a timing generator TG (an example of a read address control device) that supplies a clock signal required for the operation of each unit and a pulse signal of a predetermined timing, and a terminal 5a. Receives the master clock CLK0 supplied from the main control unit, receives data instructing the operation mode supplied from the external main control unit via the terminal 5b, and further includes data including information of the solid-state imaging device 1. And a functional block of a communication interface that outputs to an external main control unit.

通信・タイミング制御部20は、たとえば、水平アドレス信号を水平デコーダ12aへ、また垂直アドレス信号を垂直デコーダ14aへ出力し、各デコーダ12a,14aは、それを受けて対応する行もしくは列を選択する。   The communication / timing controller 20 outputs, for example, a horizontal address signal to the horizontal decoder 12a and a vertical address signal to the vertical decoder 14a, and each decoder 12a, 14a receives it and selects a corresponding row or column. .

この際、単位画素群2(事実上、単位画素3)を2次元マトリクス状に配置してあるので、画素信号生成部5により生成され垂直信号線19を介して列方向に出力されるアナログの画素信号を行単位で(列並列で)アクセスし取り込む(垂直)スキャン読みを行ない、この後に、垂直列の並び方向である行方向にアクセスし画素信号(本例ではデジタル化された画素データ)を出力側へ読み出す(水平)スキャン読みを行なうようにすることで、画素信号や画素データの読出しの高速化を図るのがよい。もちろん、スキャン読みに限らず、読み出したい単位画素3を直接にアドレス指定することで、必要な単位画素3の情報のみを読み出すランダムアクセスも可能である。   At this time, since the unit pixel group 2 (in effect, the unit pixel 3) is arranged in a two-dimensional matrix, an analog signal generated by the pixel signal generation unit 5 and output in the column direction via the vertical signal line 19 is used. The pixel signal is accessed in row units (in column parallel) and read (vertical) scan reading is performed, and then the pixel signal (in this example, digitized pixel data) is accessed in the row direction, which is the arrangement direction of the vertical columns. It is preferable to speed up reading of pixel signals and pixel data by performing (horizontal) scan reading for reading out to the output side. Of course, not only scanning reading but also random access for reading out only the information of the necessary unit pixel 3 is possible by directly addressing the unit pixel 3 to be read out.

また、通信・タイミング制御部20では、端子5aを介して入力される入力クロック(マスタークロック)CLK0と同じ周波数のクロックCLK1や、それを2分周したクロックやより分周した低速のクロックをデバイス内の各部、たとえば水平走査部12、垂直走査部14、カラム処理部26などに供給する。以下、2分周したクロックやそれ以下の周波数のクロック全般を纏めて、低速クロックCLK2とも言う。   In the communication / timing control unit 20, the clock CLK1 having the same frequency as the input clock (master clock) CLK0 input via the terminal 5a, a clock obtained by dividing the clock CLK1, or a low-speed clock obtained by further dividing the device are used as devices. For example, a horizontal scanning unit 12, a vertical scanning unit 14, a column processing unit 26, and the like. Hereinafter, the clocks divided by two and the clocks with lower frequencies are collectively referred to as a low-speed clock CLK2.

垂直走査部14は、画素アレイ部10の行を選択し、その行に必要なパルスを供給するものである。たとえば、垂直方向の読出し行を規定する(画素アレイ部10の行を選択する)垂直デコーダ14aと、垂直デコーダ14aにて規定された読出アドレス上(行方向)の単位画素3に対する行制御線15にパルスを供給して駆動する垂直駆動部14bとを有する。なお、垂直デコーダ14aは、信号を読み出す行の他に、電子シャッタ用の行なども選択する。   The vertical scanning unit 14 selects a row of the pixel array unit 10 and supplies a necessary pulse to the row. For example, a vertical decoder 14a that defines a readout row in the vertical direction (selects a row of the pixel array unit 10), and a row control line 15 for the unit pixel 3 on the readout address (in the row direction) defined by the vertical decoder 14a. And a vertical drive unit 14b for driving by supplying pulses. Note that the vertical decoder 14a selects a row for electronic shutter, in addition to a row from which a signal is read.

ここで、本実施形態のCMOS型の固体撮像装置1のように、X−Yアドレス型の撮像装置では各面素の蓄積フレーム時間ごとに読み出される蓄積順次読出方式となり、ここでは行単位で駆動パルスを供給するので、同じ期間中に光電変換素子に入射した光を信号電荷として蓄積し、全画素から同時に垂直CCDに読み出すことで蓄積の同時性を満たす蓄積同時化読出方式すなわちグローバル露光(Global Exposure )となるCCD型とは大きく異なり、ライン露光(ローリングシャッタ(Rolling Shutter )もしくはフォーカルプレーン蓄積とも称する)となる。   Here, like the CMOS type solid-state imaging device 1 of the present embodiment, the XY address type imaging device adopts an accumulation sequential readout method in which reading is performed every accumulation frame time of each surface element, and here it is driven in units of rows. Since the pulse is supplied, the light incident on the photoelectric conversion element during the same period is accumulated as signal charge, and read simultaneously from all the pixels to the vertical CCD, thereby satisfying the simultaneous accumulation. The exposure type is very different from the CCD type, which is line exposure (also called rolling shutter or focal plane accumulation).

このローリングシャッタ方式の電子シャッタ動作としては、ある読出し行がシャッタ動作の行(シャッタ動作行)に設定され単位画素3を構成する光電変換素子(検知部)に対するリセット処理がなされた時点から、その読出し行が読出し動作の行(読出し動作行)に設定され実際に信号電荷を垂直信号線19側に読み出すまでの時間が露光時間となる。   As this rolling shutter type electronic shutter operation, a certain readout row is set as a shutter operation row (shutter operation row) and a reset process is performed on the photoelectric conversion element (detecting unit) constituting the unit pixel 3. The exposure time is the time from when the readout row is set to the readout operation row (readout operation row) until the signal charge is actually read out to the vertical signal line 19 side.

水平走査部12は、低速クロックCLK2に同期してカラム処理部26のカラムAD回路25を順番に選択し、その信号を水平信号線(水平出力線)18に導くものである。たとえば、水平方向の読出列を規定する(カラム処理部26内の個々のカラムAD回路25を選択する)水平デコーダ12aと、水平デコーダ12aにて規定された読出アドレスに従って、カラム処理部26の各信号を水平信号線18に導く水平駆動部12bとを有する。なお、水平信号線18は、たとえばカラムAD回路25が取り扱うビット数n(nは正の整数)分、たとえば10(=n)ビットならば、そのビット数分に対応して10本配置される。   The horizontal scanning unit 12 sequentially selects the column AD circuit 25 of the column processing unit 26 in synchronization with the low-speed clock CLK2, and guides the signal to a horizontal signal line (horizontal output line) 18. For example, a horizontal decoder 12a that defines a horizontal readout column (selects each column AD circuit 25 in the column processor 26), and each of the column processors 26 according to a read address defined by the horizontal decoder 12a. A horizontal drive unit 12b for guiding a signal to the horizontal signal line 18. For example, if the number of horizontal signal lines 18 is n (n is a positive integer) handled by the column AD circuit 25, for example, 10 (= n) bits, 10 horizontal signal lines 18 are arranged corresponding to the number of bits. .

このような構成の固体撮像装置1において、単位画素3から出力された画素信号は、垂直列ごとに、垂直信号線19を介して、カラム処理部26のカラムAD回路25に供給される。   In the solid-state imaging device 1 having such a configuration, the pixel signal output from the unit pixel 3 is supplied to the column AD circuit 25 of the column processing unit 26 via the vertical signal line 19 for each vertical column.

カラム処理部26の各カラムAD回路25は、対応する列の単位画素3のアナログ信号Soを受けて、そのアナログ信号Soを処理する。たとえば、各カラムAD回路25は、アナログ信号Soを、たとえば低速クロックCLK2を用いて、たとえば10ビットのデジタル信号に変換するADC(Analog Digital Converter)回路を持つ。   Each column AD circuit 25 of the column processing unit 26 receives the analog signal So of the unit pixel 3 in the corresponding column and processes the analog signal So. For example, each column AD circuit 25 has an ADC (Analog Digital Converter) circuit that converts an analog signal So into, for example, a 10-bit digital signal using a low-speed clock CLK2.

カラム処理部26におけるAD変換処理としては、行単位で並列に保持されたアナログ信号Soを、列ごとに設けられたカラムAD回路25を使用して、行ごとに並列にAD変換する方法を採る。この際には、シングルスロープ積分型(あるいはランプ信号比較型)のAD変換の手法を使用する。この手法は、簡単な構成でAD変換器が実現できるため、並列に設けても回路規模が大きくならないという特徴を有している。   As the AD conversion processing in the column processing unit 26, a method is adopted in which analog signals So held in parallel in units of rows are AD converted in parallel for each row using the column AD circuit 25 provided for each column. . At this time, a single slope integration type (or ramp signal comparison type) AD conversion technique is used. Since this method can realize an AD converter with a simple configuration, it has a feature that the circuit scale does not increase even if it is provided in parallel.

シングルスロープ積分型のAD変換に当たっては、変換開始から参照信号Vslopと処理対象信号電圧とが一致するまでの時間に基づいて、アナログの処理対象信号をデジタル信号に変換する。このための仕組みとしては、原理的には、コンパレータ(電圧比較器)にランプ状の参照信号Vslopを供給するとともに、クロック信号でのカウント(計数)を開始し、垂直信号線19を介して入力されたアナログの画素信号を参照信号Vslopと比較することによって比較結果を示すパルス信号が得られるまでのクロック数をカウントすることでAD変換を行なう。   In the single slope integration type AD conversion, the analog processing target signal is converted into a digital signal based on the time from the start of conversion until the reference signal Vslop matches the processing target signal voltage. As a mechanism for this, in principle, a ramp-like reference signal Vslop is supplied to a comparator (voltage comparator), and counting (counting) with a clock signal is started and input via a vertical signal line 19. AD conversion is performed by counting the number of clocks until a pulse signal indicating the comparison result is obtained by comparing the analog pixel signal thus obtained with the reference signal Vslop.

また、この際、回路構成を工夫することで、AD変換とともに、垂直信号線19を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル(ノイズレベルもしくはリセットレベルと称する)と真の(受光光量に応じた)信号レベルVsig との差分をとる処理(いわゆるCDS処理と等価)を行なうことができる。これにより、固定パターンノイズ(FPN;Fixed Pattern Noise )やリセットノイズと言われるノイズ信号成分を取り除くことができる。   At this time, by devising the circuit configuration, the signal level immediately after the pixel reset (referred to as noise level or reset level) is applied to the voltage mode pixel signal input through the vertical signal line 19 together with AD conversion. ) And a true signal level Vsig (according to the amount of received light) (equivalent to a so-called CDS process) can be performed. As a result, noise signal components called fixed pattern noise (FPN) and reset noise can be removed.

<参照信号生成部とカラムAD回路との詳細>
参照信号生成部27は、DA変換回路(DAC;Digital Analog Converter)27aを有して構成されており、通信・タイミング制御部20からの制御データCN4で示される初期値からカウントクロックCKdac に同期して、階段状の鋸歯状波(ランプ波形;以下参照信号Vslopとも称する)を生成して、カラム処理部26の個々のカラムAD回路25に、この生成した階段状の鋸歯状波の参照信号VslopをAD変換用の参照電圧(ADC基準信号)として供給するようになっている。なお、図示を割愛しているが、ノイズ防止用のフィルタを設けるとよい。
<Details of reference signal generator and column AD circuit>
The reference signal generation unit 27 includes a DA converter circuit (DAC: Digital Analog Converter) 27a, and is synchronized with the count clock CKdac from the initial value indicated by the control data CN4 from the communication / timing control unit 20. Then, a stepped sawtooth wave (ramp waveform; hereinafter also referred to as a reference signal Vslop) is generated, and the generated stepped sawtooth wave reference signal Vslop is sent to each column AD circuit 25 of the column processing unit 26. Is supplied as a reference voltage (ADC standard signal) for AD conversion. Although illustration is omitted, a filter for preventing noise may be provided.

なお、この参照信号Vslopは、たとえば逓倍回路で生成される逓倍クロックを元に生成される高速クロックを基準とすることで、端子5aを介して入力されるマスタークロックCLK0に基づき生成するよりも高速に変化させることができる。   The reference signal Vslop is faster than the reference signal Vslop generated based on the master clock CLK0 input via the terminal 5a, for example, based on a high-speed clock generated based on the multiplied clock generated by the multiplier circuit. Can be changed.

通信・タイミング制御部20から参照信号生成部27のDA変換回路27aに供給する制御データCN4は、比較処理ごとの参照信号Vslopが基本的には同じ傾き(変化率)となるように、時間に対するデジタルデータの変化率を同じにする情報も含んでいる。具体的には、カウントクロックCKdac に同期して、単位時間ごとに1ずつカウント値を変化させ、そのカウント値を電流加算型のDA変換回路で電圧信号に変換するようにする。   The control data CN4 supplied from the communication / timing control unit 20 to the DA conversion circuit 27a of the reference signal generation unit 27 is time-dependent so that the reference signal Vslop for each comparison process basically has the same slope (change rate). It also includes information that makes the rate of change of digital data the same. Specifically, in synchronization with the count clock CKdac, the count value is changed by one per unit time, and the count value is converted into a voltage signal by a current addition type DA converter circuit.

カラムAD回路25は、参照信号生成部27のDA変換回路27aで生成される参照信号Vslopと、行制御線15(単位画素群2に対するV1,V2,V3,…,Vv:詳細にはさらに単位画素3の行制御線)ごとに単位画素3から垂直信号線19(H1,H2,…,Hh)を経由し得られるアナログの画素信号を比較する電圧比較部(コンパレータ)252と、電圧比較部252が比較処理を完了するまでの時間をカウントし、その結果を保持するカウンタ部254とを備えて構成されnビットAD変換機能を有している。   The column AD circuit 25 includes a reference signal Vslop generated by the DA conversion circuit 27a of the reference signal generation unit 27 and a row control line 15 (V1, V2, V3,..., Vv for the unit pixel group 2; A voltage comparison unit (comparator) 252 for comparing analog pixel signals obtained from the unit pixel 3 via the vertical signal lines 19 (H1, H2,..., Hh) for each pixel 3 row control line), and a voltage comparison unit 252 is configured to include a counter unit 254 that counts the time until the comparison processing is completed and holds the result, and has an n-bit AD conversion function.

ここで、本実施形態では、列ごとに配された電圧比較部252にDA変換回路27aから参照信号Vslopが共通に供給され、各電圧比較部252が処理を担当する画素信号電圧Vxについて、共通の参照信号Vslopを使用して比較処理を行なうようになっている。   Here, in the present embodiment, the reference signal Vslop is commonly supplied from the DA conversion circuit 27a to the voltage comparison units 252 arranged for each column, and the pixel signal voltage Vx for which each voltage comparison unit 252 takes charge of processing is shared. The comparison processing is performed using the reference signal Vslop.

通信・タイミング制御部20は、電圧比較部252が画素信号のリセットレベルVrst と信号成分Vsig の何れについて比較処理を行なっているのかに応じてカウンタ部254におけるカウント処理のモードを切り替える制御部の機能を持つ。この通信・タイミング制御部20から各カラムAD回路25のカウンタ部254には、カウンタ部254がダウンカウントモードで動作するのかアップカウントモードで動作するのかや、その他の制御情報を指示するための制御信号CN5が入力されている。   The communication / timing control unit 20 functions as a control unit that switches the count processing mode in the counter unit 254 according to which of the reset level Vrst and the signal component Vsig of the pixel signal the voltage comparison unit 252 is performing comparison processing. have. Control for instructing the counter unit 254 of each column AD circuit 25 from the communication / timing control unit 20 whether the counter unit 254 operates in the down-count mode or the up-count mode, and other control information. The signal CN5 is input.

電圧比較部252の一方の入力端子RAMPは、他の電圧比較部252の入力端子RAMPと共通に、参照信号生成部27で生成される階段状の参照信号Vslopが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する垂直列の垂直信号線19が接続され、画素アレイ部10からの画素信号電圧が個々に入力される。電圧比較部252の出力信号はカウンタ部254に供給される。   One input terminal RAMP of the voltage comparison unit 252 receives the step-like reference signal Vslop generated by the reference signal generation unit 27 in common with the input terminal RAMP of the other voltage comparison unit 252, and inputs to the other input terminal. Are connected to the vertical signal lines 19 in the corresponding vertical columns, and the pixel signal voltages from the pixel array unit 10 are individually input thereto. The output signal of the voltage comparison unit 252 is supplied to the counter unit 254.

カウンタ部254のクロック端子CKには、他のカウンタ部254のクロック端子CKと共通に、通信・タイミング制御部20からカウントクロックCK0が入力されている。   The count clock CK0 from the communication / timing control unit 20 is input to the clock terminal CK of the counter unit 254 in common with the clock terminals CK of the other counter units 254.

このカウンタ部254は、その構成については図示を割愛するが、ラッチで構成されたデータ記憶部の配線形態を同期カウンタ形式に変更することで実現でき、1本のカウントクロックCK0の入力で、内部カウントを行なうようになっている。カウントクロックCK0も、参照信号Vslopと同様に、逓倍回路で生成される逓倍クロック(高速クロック)を使用することができ、この場合、端子5aを介して入力されるマスタークロックCLK0を使用するよりも高分解能にできる。   The counter unit 254 is omitted from the illustration of the configuration, but can be realized by changing the wiring form of the data storage unit constituted by the latch to the synchronous counter form, and can be realized by inputting one count clock CK0. Counting is to be performed. Similarly to the reference signal Vslop, the count clock CK0 can use a multiplied clock (high-speed clock) generated by a multiplier circuit. In this case, the count clock CK0 can be used more than using the master clock CLK0 input via the terminal 5a. High resolution can be achieved.

カウンタ部254は、カウントモードに拘わらず共通のアップダウンカウンタ(U/D CNT)を用いて、ダウンカウント動作とアップカウント動作とを切り替えて(具体的には交互に)カウント処理を行なうことが可能に構成されている点に特徴を有する。   Regardless of the count mode, the counter unit 254 uses a common up / down counter (U / D CNT) to perform a count process by switching between a down count operation and an up count operation (specifically, alternately). It is characterized in that it can be configured.

また、本実施形態のカウンタ部254としては、カウント出力値がカウントクロックCK0に同期せずに出力される非同期カウンタを使用するのが好ましい。基本的には、同期カウンタを使用することもできるが、同期カウンタの場合、全てのフリップフロップ(カウンタ基本要素)の動作がカウントクロックCK0で制限される。よって、より高周波数動作が要求される場合には、カウンタ部254としては、その動作制限周波数が最初のフリップフロップ(カウンタ基本要素)の制限周波数でのみ決められるため高速動作に適する非同期カウンタの使用がより好ましいのである。   Further, as the counter unit 254 of the present embodiment, it is preferable to use an asynchronous counter whose count output value is output without being synchronized with the count clock CK0. Basically, a synchronous counter can be used, but in the case of a synchronous counter, the operations of all flip-flops (counter basic elements) are limited by the count clock CK0. Therefore, when higher frequency operation is required, the counter unit 254 uses an asynchronous counter suitable for high speed operation because its operation limit frequency is determined only by the limit frequency of the first flip-flop (counter basic element). Is more preferable.

カウンタ部254には、水平走査回路12から制御線12cを介して制御パルスが入力される。カウンタ部254は、カウント結果を保持するラッチ機能を有しており、制御線12cを介しての制御パルスによる指示があるまでは、カウンタ出力値を保持する。   A control pulse is input to the counter unit 254 from the horizontal scanning circuit 12 through the control line 12c. The counter unit 254 has a latch function for holding the count result, and holds the counter output value until an instruction by a control pulse through the control line 12c is given.

個々のカラムAD回路25の出力側は、たとえば、カウンタ部254の出力を水平信号線18に接続することができる。あるいは、図示のように、カウンタ部254の後段に、このカウンタ部254の保持したカウント結果を保持するnビットのメモリ装置としてのデータ記憶部256と、カウンタ部254とデータ記憶部256との間に配されたスイッチ258とを備える構成を採ることもできる。   On the output side of each column AD circuit 25, for example, the output of the counter unit 254 can be connected to the horizontal signal line 18. Alternatively, as shown in the figure, a data storage unit 256 as an n-bit memory device that holds the count result held by the counter unit 254, and the counter unit 254 and the data storage unit 256 are arranged at the subsequent stage of the counter unit 254. It is also possible to adopt a configuration comprising a switch 258 arranged in

データ記憶部256を備える構成を採る場合、スイッチ258には、他の垂直列のスイッチ258と共通に、通信・タイミング制御部20から、所定のタイミングで、制御パルスとしてのメモリ転送指示パルスCN8が供給される。スイッチ258は、メモリ転送指示パルスCN8が供給されると、対応するカウンタ部254のカウント値をデータ記憶部256に転送する。データ記憶部256は、転送されたカウント値を保持・記憶する。   When the configuration including the data storage unit 256 is adopted, the switch 258 receives a memory transfer instruction pulse CN8 as a control pulse from the communication / timing control unit 20 at a predetermined timing in common with the switches 258 in the other vertical columns. Supplied. When the memory transfer instruction pulse CN8 is supplied, the switch 258 transfers the count value of the corresponding counter unit 254 to the data storage unit 256. The data storage unit 256 holds and stores the transferred count value.

なお、カウンタ部254のカウント値を所定のタイミングでデータ記憶部256に保持させる仕組みは、両者間にスイッチ258を配する構成に限らず、たとえば、カウンタ部254とデータ記憶部256とを直接に接続しつつ、カウンタ部254の出力イネーブルをメモリ転送指示パルスCN8で制御することで実現することもできるし、データ記憶部256のデータ取込タイミングを決めるラッチクロックとしてメモリ転送指示パルスCN8を用いることでも実現できる。   Note that the mechanism for holding the count value of the counter unit 254 in the data storage unit 256 at a predetermined timing is not limited to the configuration in which the switch 258 is disposed between them, and for example, the counter unit 254 and the data storage unit 256 are directly connected. While being connected, the output enable of the counter unit 254 can be realized by controlling the memory transfer instruction pulse CN8, or the memory transfer instruction pulse CN8 is used as a latch clock for determining the data take-in timing of the data storage unit 256. But it can be realized.

データ記憶部256には、水平走査回路12から制御線12cを介して制御パルスが入力される。データ記憶部256は、制御線12cを介しての制御パルスによる指示があるまでは、カウンタ部254から取り込んだカウント値を保持する。   A control pulse is input to the data storage unit 256 from the horizontal scanning circuit 12 through the control line 12c. The data storage unit 256 holds the count value fetched from the counter unit 254 until there is an instruction by a control pulse through the control line 12c.

水平走査回路12は、カラム処理部26の各電圧比較部252とカウンタ部254とが、それぞれが担当する処理を行なうのと並行して、各データ記憶部256が保持していたカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。   The horizontal scanning circuit 12 reads the count value held by each data storage unit 256 in parallel with the voltage comparison unit 252 and the counter unit 254 of the column processing unit 26 performing the processing that they are responsible for. It has the function of a readout scanning unit.

データ記憶部256の出力は、水平信号線18に接続されている。水平信号線18は、カラムAD回路25のビット幅であるnビット幅分の信号線を有し、図示しないそれぞれの出力線に対応したn個のセンス回路を経由して出力回路28に接続される。   The output of the data storage unit 256 is connected to the horizontal signal line 18. The horizontal signal line 18 has a signal line of an n-bit width which is the bit width of the column AD circuit 25, and is connected to the output circuit 28 via n sense circuits corresponding to the respective output lines (not shown). The

特に、データ記憶部256を備えた構成とすれば、カウンタ部254が保持したカウント結果を、データ記憶部256に転送することができるため、カウンタ部254のカウント動作すなわちAD変換処理と、カウント結果の水平信号線18への読出動作とを独立して制御可能であり、AD変換処理と外部への信号の読出動作とを並行して行なうパイプライン動作が実現できる。   In particular, if the configuration includes the data storage unit 256, the count result held by the counter unit 254 can be transferred to the data storage unit 256. Therefore, the count operation of the counter unit 254, that is, AD conversion processing, and the count result The reading operation to the horizontal signal line 18 can be controlled independently, and a pipeline operation in which AD conversion processing and signal reading operation to the outside are performed in parallel can be realized.

このような構成において、カラムAD回路25は、水平ブランキング期間に相当する画素信号読出期間において、カウント動作を行ない、所定のタイミングでカウント結果を出力する。すなわち、先ず、電圧比較部252では、参照信号生成部27からのランプ波形電圧と、垂直信号線19を介して入力される画素信号電圧とを比較し、双方の電圧が同じになると、電圧比較部252のコンパレート出力が反転する。たとえば、電圧比較部252は、電源電位などのHレベルをインアクティブ状態として、画素信号電圧Vxと参照信号Vslopとが一致したときに、Lレベル(アクティブ状態)へ遷移する。   In such a configuration, the column AD circuit 25 performs a count operation in the pixel signal readout period corresponding to the horizontal blanking period, and outputs a count result at a predetermined timing. That is, first, the voltage comparison unit 252 compares the ramp waveform voltage from the reference signal generation unit 27 with the pixel signal voltage input via the vertical signal line 19, and if both voltages are the same, the voltage comparison The comparator output of the unit 252 is inverted. For example, the voltage comparison unit 252 sets the H level such as the power supply potential to the inactive state, and transitions to the L level (active state) when the pixel signal voltage Vx matches the reference signal Vslop.

カウンタ部254は、参照信号生成部27から発せられるランプ波形電圧に同期してダウンカウントモードもしくはアップカウントモードでカウント動作を開始しており、コンパレート出力の反転した情報がカウンタ部254に通知されると、カウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ(保持・記憶)することでAD変換を完了する。   The counter unit 254 starts the count operation in the down-count mode or the up-count mode in synchronization with the ramp waveform voltage generated from the reference signal generation unit 27, and the counter unit 254 is notified of the inverted information of the comparator output. Then, the count operation is stopped, and the AD conversion is completed by latching (holding / storing) the count value at that time as pixel data.

この後、カウンタ部254は、所定のタイミングで水平走査回路12から制御線12cを介して入力される水平選択信号CH(i)によるシフト動作に基づいて、記憶・保持した画素データを、順次、カラム処理部26外や画素アレイ部10を有するチップ外へ出力端子5cから出力する。   Thereafter, the counter unit 254 sequentially stores the stored and held pixel data based on the shift operation by the horizontal selection signal CH (i) input from the horizontal scanning circuit 12 via the control line 12c at a predetermined timing. The data is output from the output terminal 5 c to the outside of the column processing unit 26 or the outside of the chip having the pixel array unit 10.

なお、本実施形態の説明としては直接関連しないため特に図示しないが、その他の各種信号処理回路なども、固体撮像装置1の構成要素に含まれる場合がある。   Although not specifically illustrated because it is not directly related to the description of the present embodiment, other various signal processing circuits may be included in the components of the solid-state imaging device 1.

<単位画素群の回路構成例>
図2および図2Aは、図1に示した固体撮像装置1に使用される単位画素群2の構成例を説明する図である。図2は、単位画素群2を構成する各構成要素の配置レイアウト例を示す図である。また、図2Aは、その単位画素群2の回路構成例と、駆動部と駆動制御線と画素トランジスタの接続態様を示す図である。画素アレイ部10内の単位画素群2の構成は、先ず、単位画素3の内の一部の要素を複数の単位画素3で共有した構成を持つ画素共有構造を有する点に特徴を有する。
<Circuit configuration example of unit pixel group>
2 and 2A are diagrams illustrating a configuration example of the unit pixel group 2 used in the solid-state imaging device 1 illustrated in FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating an arrangement layout example of each constituent element constituting the unit pixel group 2. FIG. 2A is a diagram illustrating a circuit configuration example of the unit pixel group 2 and a connection mode of a drive unit, a drive control line, and a pixel transistor. The configuration of the unit pixel group 2 in the pixel array unit 10 is characterized in that it has a pixel sharing structure having a configuration in which some elements in the unit pixel 3 are shared by the plurality of unit pixels 3.

ここでは、画素共有構造の一例として、4つの単位画素3の組み合わせて単位画素群2が構成される4画素共有の場合で示す。なお、単位画素3やそれを組み合わせた単位画素群2の構成は一例であり、ここで示すものには限定されない。たとえば、図2Aに示した構成においては、4つの単位画素3で1つ単位画素群2を構成するが、これに限らず、たとえば、2つや8つの単位画素3で1つ単位画素群2を構成してもよい。   Here, as an example of the pixel sharing structure, a case where the unit pixel group 2 is configured by combining four unit pixels 3 is shown. In addition, the structure of the unit pixel 3 and the unit pixel group 2 which combined it is an example, and is not limited to what is shown here. For example, in the configuration illustrated in FIG. 2A, one unit pixel group 2 is configured by four unit pixels 3. However, the present invention is not limited to this. For example, one unit pixel group 2 is configured by two or eight unit pixels 3. It may be configured.

なお、画素アレイ部10内の単位画素群2を構成する単位画素(画素セル)3の構成は、通常のCMOSイメージセンサと同様であり、本実施形態では、CMOSセンサとして汎用的な4TR構成のものや、3つのトランジスタからなる3TR構成のものを使用することができる。もちろん、これらの画素構成は一例であり、通常のCMOSイメージセンサのアレイ構成であれば、何れのものでも使用できる。   Note that the configuration of the unit pixel (pixel cell) 3 constituting the unit pixel group 2 in the pixel array unit 10 is the same as that of a normal CMOS image sensor. In this embodiment, the CMOS sensor has a general-purpose 4TR configuration. Or a 3TR structure including three transistors can be used. Of course, these pixel configurations are merely examples, and any CMOS image sensor array configuration can be used.

また画素内アンプとしては、たとえばフローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部(転送ゲート部/読出ゲート部)の一例である読出選択用トランジスタ、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ、垂直選択用トランジスタ、およびフローティングディフュージョンの電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する、CMOSセンサとして汎用的な4つのトランジスタからなる構成(以下4TR構成とも言う)のものを使用することができる。   Further, as the intra-pixel amplifier, for example, a floating diffusion amplifier configuration is used. As an example, with respect to the charge generation unit, a read selection transistor that is an example of a charge readout unit (transfer gate unit / read gate unit), a reset transistor that is an example of a reset gate unit, a vertical selection transistor, and a floating diffusion As a CMOS sensor having a source follower configuration amplifying transistor, which is an example of a sensing element for detecting a change in potential, a sensor composed of four general-purpose transistors (hereinafter also referred to as a 4TR configuration) can be used.

レイアウト面では、4TR構成の単位画素3を基本とする場合、図2に示すように、光を受光して電荷に変換する光電変換機能とともに、その電荷を蓄積する電荷蓄積機能の各機能を兼ね備えた電荷生成部32と、電荷生成部32での光電変換によって生成された信号電荷を電圧信号に変換する電圧変換部と、電荷生成部32から電圧変換部への電荷の読出しを制御する電荷読出部(転送ゲート部/読出ゲート部)の一例である読出選択用トランジスタ(転送トランジスタ)34と、電圧変換部に転送された電荷や電圧変換部で変換された電圧信号に対する処理を行なう回路群が配置されるトランジスタ領域と、電圧変換部とトランジスタ領域における回路群とを電気的に接続する配線を備えている。   In terms of layout, when a unit pixel 3 having a 4TR configuration is basically used, as shown in FIG. 2, the photoelectric conversion function for receiving light and converting it into a charge is combined with each function of a charge storage function for storing the charge. The charge generation unit 32, a voltage conversion unit that converts a signal charge generated by photoelectric conversion in the charge generation unit 32 into a voltage signal, and a charge readout that controls reading of charges from the charge generation unit 32 to the voltage conversion unit There is a group of circuits for processing a read selection transistor (transfer transistor) 34 which is an example of a unit (transfer gate unit / read gate unit) and a charge signal transferred to the voltage conversion unit and a voltage signal converted by the voltage conversion unit. Wiring is provided for electrically connecting the transistor region to be arranged, and the voltage converter and a circuit group in the transistor region.

電圧変換部は、図2Aに示すように、たとえば寄生容量を持った拡散層であるフローティングディフュージョン38とフローティングディフュージョン38の電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタ42を主要部として有する。フローティングディフュージョン38の寄生容量は少なければ少ない程、変換効率を上げられることが一般的に知られている。   As shown in FIG. 2A, the voltage converter includes, for example, a floating diffusion 38 that is a diffusion layer having a parasitic capacitance, and an amplification transistor 42 having a source follower configuration that is an example of a detection element that detects a potential change of the floating diffusion 38. It has as a main part. It is generally known that the smaller the parasitic capacitance of the floating diffusion 38, the higher the conversion efficiency.

このような単位画素群2は、各構成要素の配置レイアウトに大きな特徴がある。具体的には、図2(A)に示すように、複数列と複数行とからなる2次元アレイ状に配置された電荷生成部32に対して、その2次元アレイ中で斜めに隣り合う2つの電荷生成部32の間に1つの電圧変換部が配置され、2つの電荷生成部32が各電荷生成部32に付設された読出選択用トランジスタ34を介して1つの電圧変換部やトランジスタ領域を共用するように構成されている。   Such a unit pixel group 2 has a great feature in the layout of each component. Specifically, as shown in FIG. 2A, the charge generators 32 arranged in a two-dimensional array composed of a plurality of columns and a plurality of rows are diagonally adjacent to each other in the two-dimensional array. One voltage conversion unit is arranged between two charge generation units 32, and two charge generation units 32 are connected to one voltage conversion unit or transistor region via a read selection transistor 34 attached to each charge generation unit 32. It is configured to be shared.

共用は、たとえば図2(B)に示すように、i,i+1,i+2,…列とj,j+1,j+2,…行からなる2次元アレイ中にて、(i+1,j)座標の電荷生成部32aと(i,j+1)座標の電荷生成部32bとがそれぞれ1つのフローティングディフュージョン38および増幅用トランジスタ42で構成された電圧変換部を共用し、また(i+1,j+2)座標の電荷生成部32cと(i,j+3)座標の電荷生成部32dとがそれぞれ他の1つのフローティングディフュージョン38および増幅用トランジスタ42で構成された電圧変換部を共用する、といった具合に行なわれる。   For example, as shown in FIG. 2B, sharing is performed in a two-dimensional array consisting of i, i + 1, i + 2,... And columns, j, j + 1, j + 2,. 32a and the (i, j + 1) coordinate charge generation unit 32b share a voltage conversion unit composed of one floating diffusion 38 and an amplification transistor 42, respectively, and the (i + 1, j + 2) coordinate charge generation unit 32c The charge generation unit 32d having the (i, j + 3) coordinate shares a voltage conversion unit formed of another floating diffusion 38 and an amplifying transistor 42, respectively.

また、図2に示すように、電圧変換部が配されていない電荷生成部32同士の間には、トランジスタ領域が設けられているが、そのトランジスタ領域における回路群を、回路群と配線を介して電気的に接続する2つの電荷生成部32が共用するように構成されている。このとき、共用される回路群としては、図2Aに示すように、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ36や垂直選択用トランジスタ40などがあるが、これらの各回路要素は、複数のトランジスタ領域に分散した配置されているものとする。   In addition, as shown in FIG. 2, a transistor region is provided between the charge generation units 32 where no voltage conversion unit is arranged. The circuit group in the transistor region is connected via the circuit group and the wiring. Thus, the two charge generation units 32 that are electrically connected to each other are shared. At this time, as shown in FIG. 2A, the shared circuit group includes a reset transistor 36, which is an example of a reset gate unit, a vertical selection transistor 40, and the like. Each of these circuit elements includes a plurality of transistor regions. It is assumed that they are arranged in a distributed manner.

つまり、本実施形態の固体撮像装置1では、図2に示すように、2次元アレイの列方向に沿って並ぶ2つのトランジスタ領域に分散配置された1組の回路群を、同列方向に沿って並ぶ2つの電圧変換部が共用するとともに、その電圧変換部のそれぞれを2次元アレイ中で斜めに隣り合う2つの電荷生成部32が共用し、これら1つの回路群、2つの電圧変換部および計4つの電荷生成部32が1つの共有単位(単位ブロック)である単位画素群2を構成している。   That is, in the solid-state imaging device 1 of this embodiment, as shown in FIG. 2, a set of circuit groups distributed in two transistor regions arranged along the column direction of the two-dimensional array is arranged along the column direction. The two voltage converters arranged side by side are shared, and each of the voltage converters is shared by two charge generation units 32 that are obliquely adjacent in the two-dimensional array, and these one circuit group, two voltage converters, and a total The four charge generation units 32 constitute a unit pixel group 2 that is one shared unit (unit block).

回路構成的には、図2Aに示したように、単位画素群2は、4つの電荷生成部32a,32b,32c,32dを有し、フローティングディフュージョン38や増幅用トランジスタ42でなる1つの画素信号生成部5を共有する構成となっている。なお、共有対象の画素は、隣接しているものとし、隣接方向は、正方格子状に単位画素3が配列されている場合には、画面の垂直方向あるいは水平方向あるいはその両方(すなわち斜め)の何れであってもよい。本実施形態では、行方向(垂直方向)に4つの単位画素3が共有されて1つの単位画素群2が構成されるものとする。   In terms of circuit configuration, as shown in FIG. 2A, the unit pixel group 2 includes four charge generation units 32a, 32b, 32c, and 32d, and one pixel signal including a floating diffusion 38 and an amplification transistor 42. The generation unit 5 is shared. It is assumed that the pixels to be shared are adjacent to each other, and the adjacent direction is the vertical direction or the horizontal direction of the screen, or both (ie, diagonal) when the unit pixels 3 are arranged in a square lattice pattern. Either may be sufficient. In the present embodiment, it is assumed that one unit pixel group 2 is configured by sharing four unit pixels 3 in the row direction (vertical direction).

4画素間でFDA構成の電荷−電圧変換部(具体的には画素信号生成部5)を共有するように、4つの単位画素3で1つ単位画素群2を構成しているので、読出選択用トランジスタ34が複数(本例では4つ)の電荷生成部32に蓄積された信号電荷を共通の画素信号生成部5に移送する手段として機能するべく、読出選択用トランジスタ34および転送駆動バッファBF1も、独立して読出選択用トランジスタ34a,34b,34c,34d、転送駆動バッファBF1a,BF1b,BF1c,BF1dが設けられており、電荷生成部32a,32b,34c,34dからそれぞれ信号電荷Qa,Qb,Qc,Qdを独立にフローティングディフュージョン38に移送(転送)させる。   Since one unit pixel group 2 is constituted by four unit pixels 3 so that the charge-voltage conversion unit (specifically, the pixel signal generation unit 5) of the FDA configuration is shared among the four pixels, readout selection is performed. The read transistor 34 and the transfer drive buffer BF1 are provided so that the transistor 34 functions as a means for transferring the signal charges accumulated in a plurality of (four in this example) charge generators 32 to the common pixel signal generator 5. Also, read selection transistors 34a, 34b, 34c, 34d and transfer drive buffers BF1a, BF1b, BF1c, BF1d are provided independently, and signal charges Qa, Qb are respectively supplied from the charge generation units 32a, 32b, 34c, 34d. , Qc, Qd are transferred (transferred) to the floating diffusion 38 independently.

電荷生成部32aと読出選択用トランジスタ34aと画素信号生成部5とで第1の単位画素3aが構成され、電荷生成部32bと読出選択用トランジスタ34bと画素信号生成部5とで第2の単位画素3bが構成され、電荷生成部32cと読出選択用トランジスタ34cと画素信号生成部5とで第3の単位画素3cが構成され、電荷生成部32dと読出選択用トランジスタ34dと画素信号生成部5とで第4の単位画素3dが構成されると見ることができる。   The charge generation unit 32a, the read selection transistor 34a, and the pixel signal generation unit 5 form a first unit pixel 3a, and the charge generation unit 32b, the read selection transistor 34b, and the pixel signal generation unit 5 form a second unit. The pixel 3b is configured, and the charge generation unit 32c, the readout selection transistor 34c, and the pixel signal generation unit 5 configure a third unit pixel 3c. The charge generation unit 32d, the readout selection transistor 34d, and the pixel signal generation unit 5 It can be seen that the fourth unit pixel 3d is configured.

つまり、このような構成では、全体としては、7つのトランジスタで単位画素群2が構成されているが、それぞれの電荷生成部32a,32b,34c,34dから見た場合には、4つのトランジスタで単位画素3が構成された4TR構成である。   That is, in such a configuration, the unit pixel group 2 is composed of seven transistors as a whole, but when viewed from the respective charge generation units 32a, 32b, 34c, and 34d, four transistors are used. This is a 4TR configuration in which the unit pixel 3 is configured.

なお、カラー撮像用とする場合には、共有対象となる単位画素3は、同色画素だけに限らず複数色でFDA構成の電荷−電圧変換部(画素信号生成部5)を共有するように構成してもよいし、同色画素だけでFDA構成の電荷−電圧変換部(画素信号生成部5)を共有するように構成してもよい。   In the case of color imaging, the unit pixel 3 to be shared is configured to share the charge-voltage conversion unit (pixel signal generation unit 5) having an FDA configuration not only with the same color pixel but also with a plurality of colors. Alternatively, the charge-voltage conversion unit (pixel signal generation unit 5) having the FDA configuration may be shared only by pixels of the same color.

<単位画素の回路構成例>
転送部を構成する読出選択用トランジスタ34は、転送信号φTRG が供給される転送駆動バッファBF1により転送配線(読出選択線TX)55を介して駆動されるようになっている。初期化部を構成するリセットトランジスタ36は、リセット信号φRST が供給されるリセット駆動バッファBF2によりリセット配線(RST)56を介して駆動されるようになっている。垂直選択用トランジスタ40は、垂直選択信号φVSELが供給される選択駆動バッファBF3により垂直選択線(SEL)52を介して駆動されるようになっている。各駆動バッファは、垂直走査部14の垂直駆動部14bによって駆動可能になっている。
<Circuit configuration example of unit pixel>
The read selection transistor 34 constituting the transfer section is driven via a transfer wiring (read selection line TX) 55 by a transfer drive buffer BF1 to which a transfer signal φTRG is supplied. The reset transistor 36 constituting the initialization unit is driven through a reset wiring (RST) 56 by a reset driving buffer BF2 to which a reset signal φRST is supplied. The vertical selection transistor 40 is driven via a vertical selection line (SEL) 52 by a selection drive buffer BF3 to which a vertical selection signal φVSEL is supplied. Each drive buffer can be driven by the vertical drive unit 14 b of the vertical scanning unit 14.

フォトダイオードPDなどの受光素子DET で構成される検知部の一例である電荷生成部32は、受光素子DET の一端(アノード側)が低電位側の基準電位Vss(負電位:たとえば−1V程度)に接続され、他端(カソード側)が読出選択用トランジスタ34の入力端(典型的にはソース)に接続されている。なお、基準電位Vssは接地電位GND とすることもある。   The charge generation unit 32, which is an example of a detection unit including a light receiving element DET such as a photodiode PD, has a reference potential Vss (negative potential: about −1V, for example) at which one end (anode side) of the light receiving element DET is a low potential side. The other end (cathode side) is connected to the input end (typically the source) of the read selection transistor 34. The reference potential Vss may be the ground potential GND.

読出選択用トランジスタ34は、出力端(典型的にはドレイン)がリセットトランジスタ36とフローティングディフュージョン38と増幅用トランジスタ42とが接続される接続ノードに接続され、制御入力端(ゲート)には転送駆動バッファBF1から転送パルスTRG が供給される。   The read selection transistor 34 has an output terminal (typically a drain) connected to a connection node to which a reset transistor 36, a floating diffusion 38 and an amplification transistor 42 are connected, and a control input terminal (gate) having a transfer drive. A transfer pulse TRG is supplied from the buffer BF1.

画素信号生成部5におけるリセットトランジスタ36は、ソースがフローティングディフュージョン38に、ドレインが電源Vrd(通常は電源Vddと共通にする)にそれぞれ接続され、ゲート(リセットゲートRG)には画素リセットパルスRST がリセット駆動バッファから入力される。   The reset transistor 36 in the pixel signal generator 5 has a source connected to the floating diffusion 38, a drain connected to the power supply Vrd (usually common to the power supply Vdd), and a gate (reset gate RG) receiving a pixel reset pulse RST. Input from reset drive buffer.

詳細は後述するが、本実施形態においては、リセットトランジスタ36としては、ディプレッション(Depletion )構造のものを用いるのが好ましい。これは、リセットトランジスタ36がオン時に、単位画素3の電源となるリセット電圧Vrdとフローティングディフュージョン38の電位をばらつきなく一致させるため、また、確実にリセットさせて残像をなくすためである。リセット電源Vrdと増幅用トランジスタ42用の電源Vddとを共通にすると、リセットトランジスタ36がオン時のフローティングディフュージョン38の電位は、各電源線の電位レベルに概ね(閾値電圧を考慮して)一致する。   Although details will be described later, in the present embodiment, it is preferable to use a depletion structure as the reset transistor 36. This is because when the reset transistor 36 is turned on, the reset voltage Vrd serving as the power source of the unit pixel 3 and the potential of the floating diffusion 38 are made to coincide with each other without any variation, and the afterimage is eliminated by surely resetting. If the reset power supply Vrd and the power supply Vdd for the amplifying transistor 42 are made common, the potential of the floating diffusion 38 when the reset transistor 36 is on generally matches the potential level of each power supply line (in consideration of the threshold voltage). .

なお、リセットトランジスタ36としてディプレッション構造のものを使用すると、リセットトランジスタ36がオフ状態(非選択時)においてもリーク電流が流れ得る。詳細は後述するが、本実施形態では、この特性を、間引読出しモード時のブルーミング対策の一手法に利用する。   If a depletion type transistor is used as the reset transistor 36, a leak current can flow even when the reset transistor 36 is in an off state (when not selected). Although details will be described later, in the present embodiment, this characteristic is used as a technique for countermeasures against blooming in the thinning readout mode.

垂直選択用トランジスタ40は、一例として、ドレインが増幅用トランジスタ42のソースに、ソースが画素線51にそれぞれ接続され、ゲート(特に垂直選択ゲートSELVという)が垂直選択線52に接続されている。なおこのような接続構成に限らず、垂直選択用トランジスタ40と増幅用トランジスタ42の配置を逆にして、垂直選択用トランジスタ40は、ドレインが電源Vddに、ソースが増幅用トランジスタ42のドレインに接続され、増幅用トランジスタ42のソースが画素線51に接続されるようにしてもよい。垂直選択線52には、垂直選択信号SELが印加される。   For example, in the vertical selection transistor 40, the drain is connected to the source of the amplification transistor 42, the source is connected to the pixel line 51, and the gate (in particular, the vertical selection gate SELV) is connected to the vertical selection line 52. In addition, the arrangement of the vertical selection transistor 40 and the amplification transistor 42 is not limited to this, and the vertical selection transistor 40 has a drain connected to the power supply Vdd and a source connected to the drain of the amplification transistor 42. The source of the amplifying transistor 42 may be connected to the pixel line 51. A vertical selection signal SEL is applied to the vertical selection line 52.

増幅用トランジスタ42は、ゲートがフローティングディフュージョン38に接続され、ドレインが電源Vddに、ソースは垂直選択用トランジスタ40を介して画素線51に接続され、さらに垂直信号線53(19)に接続されるようになっている。   The amplification transistor 42 has a gate connected to the floating diffusion 38, a drain connected to the power supply Vdd, a source connected to the pixel line 51 via the vertical selection transistor 40, and further connected to the vertical signal line 53 (19). It is like that.

転送パルスTRG 、画素リセットパルスRST 、および垂直選択パルスVSELは、一般的には、何れもアクティブH(ハイ;電源電圧レベル)、インアクティブL(ロー:基準レベル)の2値パルスが使用される。電源電圧レベルはたとえば3V程度とする。基準レベルは、たとえば、0.4〜0.7Vあるいは接地レベルの0Vとするが、場合によっては、一部のパルスについては、−1V程度の負電位とすることもある。   The transfer pulse TRG, the pixel reset pulse RST, and the vertical selection pulse VSEL are generally binary pulses of active H (high; power supply voltage level) and inactive L (low: reference level). . The power supply voltage level is about 3V, for example. The reference level is, for example, 0.4 to 0.7 V or the ground level of 0 V. However, in some cases, a negative potential of about −1 V may be set for some pulses.

本実施形態では、この内の読出選択用トランジスタ34のゲートに供給する転送パルスTRG に関しては、電源電圧レベルと基準レベルの2種類の電位を使用する2値駆動だけでなく、ハイレベルとローレベルの間の任意の電圧(中間電圧と称する:ハイレベルとローレベルを含まない)をも使用する少なくとも3種類以上の電位を使用する駆動(代表して3値駆動と称する)も適用可能にする。   In this embodiment, the transfer pulse TRG supplied to the gate of the read selection transistor 34 is not only a binary drive using two kinds of potentials of a power supply voltage level and a reference level, but also a high level and a low level. A drive using at least three kinds of potentials (also referred to as ternary drive) that also uses any voltage between them (referred to as intermediate voltage: not including high level and low level) is also applicable. .

通常の全画素読出しモード時には3値の内の両端の2値を使う2値駆動にするが、間引き読出しモード時には、読出し行と間引き行とで、3値の内の両端の2値と3値を使い分けることで、間引読出しモード時のブルーミング対策を行なう。この対処のため、転送駆動バッファBF1には、3値駆動の対応をとるための制御情報(3値制御信号G)が供給されるようになっている。2値と3値の使い分けや3値制御信号Gについては、後で詳しく説明する。   In the normal all-pixel readout mode, binary driving is performed using binary values at both ends of the three values. In the thinning readout mode, the binary values and the three values at both ends of the ternary values are read out and thinned out. By using properly, measures against blooming in the thinning readout mode are taken. In order to cope with this, the transfer drive buffer BF1 is supplied with control information (ternary control signal G) for dealing with ternary driving. The use of binary and ternary values and the ternary control signal G will be described in detail later.

さらに垂直信号線53は、その一端がカラム処理部26側に延在するとともに、その経路において、読出電流源部24が接続され、増幅用トランジスタ42との間で、略一定の動作電流(読出電流)が供給されるソースフォロワ構成が採られるようになっている。   Further, one end of the vertical signal line 53 extends to the column processing unit 26 side, and the read current source unit 24 is connected along the path, and a substantially constant operating current (read) is performed between the vertical signal line 53 and the amplifying transistor 42. A source follower configuration in which (current) is supplied is adopted.

具体的には、読出電流源部24は、各垂直列に設けられたNMOS型のトランジスタ(特に負荷MOSトランジスタという)242と、全垂直列に対して共用される電流生成部245およびゲートおよびドレインが共通に接続されソースがソース線248に接続されたNMOS型のトランジスタ246を有する基準電流源部244とを備えている。   Specifically, the read current source unit 24 includes an NMOS type transistor (in particular, a load MOS transistor) 242 provided in each vertical column, a current generation unit 245 shared by all the vertical columns, and a gate and a drain. And a reference current source unit 244 having an NMOS type transistor 246 whose source is connected to the source line 248.

各負荷MOSトランジスタ242は、ドレインが対応する列の垂直信号線53に接続され、ソースが接地線であるソース線248に共通に接続されている。これにより、各垂直列の負荷MOSトランジスタ242は基準電流源部244のトランジスタ246との間でゲート同士が接続されカレントミラー回路を構成し、垂直信号線19に対し電流源として機能するように接続されている。   Each load MOS transistor 242 has a drain connected to the vertical signal line 53 of the corresponding column and a source connected in common to a source line 248 that is a ground line. As a result, the load MOS transistors 242 in each vertical column are connected to each other so as to function as a current source with respect to the vertical signal line 19 by connecting the gates to the transistor 246 of the reference current source unit 244 to form a current mirror circuit. Has been.

ソース線248は、水平方向の端部(図1の左右の垂直列)で基板バイアスである接地(GND )に接続され、負荷MOSトランジスタ242の接地に対する動作電流(読出電流)が、チップの左右両端から供給されるような構成となっている。   The source line 248 is connected to the ground (GND) as the substrate bias at the horizontal end (left and right vertical columns in FIG. 1), and the operating current (read current) with respect to the ground of the load MOS transistor 242 is changed to the left and right of the chip. It is configured to be supplied from both ends.

電流生成部245には、必要時にのみ所定電流を出力するようにするための負荷制御信号SFLACTが、図示しない負荷制御部から供給されるようになっている。電流生成部245は、信号読出し時には、負荷制御信号SFLACTのアクティブ状態が入力されることで、各増幅用トランジスタ42に接続された負荷MOSトランジスタ242によって、予め決められた定電流を流し続けるようになっている。つまり、負荷MOSトランジスタ242は、選択行の増幅用トランジスタ42とソースフォロアを組んで読出電流を増幅用トランジスタ42に供給することで垂直信号線53への信号出力をさせる。   A load control signal SFLACT for outputting a predetermined current only when necessary is supplied to the current generation unit 245 from a load control unit (not shown). When the signal is read, the current generation unit 245 receives an active state of the load control signal SFLACT so that the load MOS transistor 242 connected to each amplification transistor 42 continues to flow a predetermined constant current. It has become. In other words, the load MOS transistor 242 makes a signal output to the vertical signal line 53 by assembling the amplifying transistor 42 and the source follower in the selected row and supplying the read current to the amplifying transistor 42.

このような4TR構成では、フローティングディフュージョン38は増幅用トランジスタ42のゲートに接続されているので、増幅用トランジスタ42はフローティングディフュージョン38の電位(以下FD電位という)に対応した信号を電圧モードで、画素線51を介して垂直信号線19(53)に出力する。   In such a 4TR configuration, since the floating diffusion 38 is connected to the gate of the amplifying transistor 42, the amplifying transistor 42 outputs a signal corresponding to the potential of the floating diffusion 38 (hereinafter referred to as “FD potential”) in the voltage mode. The signal is output to the vertical signal line 19 (53) via the line 51.

リセットトランジスタ36は、フローティングディフュージョン38をリセットする。読出選択用トランジスタ(転送トランジスタ)34は、電荷生成部32にて生成された信号電荷をフローティングディフュージョン38に転送する。垂直信号線19には多数の画素が接続されているが、画素を選択するのには、選択画素のみ垂直選択用トランジスタ40をオンする。すると選択画素のみが垂直信号線19と接続され、垂直信号線19には選択画素の信号が出力される。   The reset transistor 36 resets the floating diffusion 38. The read selection transistor (transfer transistor) 34 transfers the signal charge generated by the charge generator 32 to the floating diffusion 38. A large number of pixels are connected to the vertical signal line 19. To select a pixel, the vertical selection transistor 40 is turned on only for the selected pixel. Then, only the selected pixel is connected to the vertical signal line 19, and the signal of the selected pixel is output to the vertical signal line 19.

このような複数の単位画素3の一部を共有した構造の単位画素群2を用いる場合でも、全画素の情報を個別に読み出す通常の動作を行なうことができる。もちろん、画素信号の読出処理時間を短縮する高速化方式の他の例である間引き読出しも可能である。詳細は後述するが、本実施形態の間引き読出し時には、間引き行の単位画素3から溢れ出る電荷によるブルーミング現象の対策に適した駆動を行なうとともに、その際には、画素共有構造である点をも考慮した駆動にする。   Even when the unit pixel group 2 having a structure in which a part of the plurality of unit pixels 3 is shared is used, a normal operation of individually reading information on all the pixels can be performed. Of course, thinning-out reading, which is another example of the high-speed method for shortening the pixel signal reading processing time, is also possible. Although details will be described later, at the time of thinning-out reading in the present embodiment, driving suitable for measures against blooming due to charges overflowing from the unit pixels 3 in the thinning-out row is performed, and in that case, the pixel sharing structure is also included. Drive in consideration.

これらの各種の読出し動作を制御するべく、通信・タイミング生成部20から、各単位画素3に与えるパルス信号のタイミングを変更することによって、通常撮像モードの一例である全画素読出モードと高速駆動モードの一例である間引き読出しモードを切り替える。各モードでの単位画素3に対する制御やカラムAD回路25の動作については後で説明する。   In order to control these various readout operations, by changing the timing of the pulse signal applied to each unit pixel 3 from the communication / timing generation unit 20, an all-pixel readout mode and a high-speed drive mode which are examples of the normal imaging mode The thinning readout mode, which is an example, is switched. The control of the unit pixel 3 in each mode and the operation of the column AD circuit 25 will be described later.

<画素構造>
図3は、図2に示した単位画素群2を構成する単位画素3の、電荷生成部32およびフローティングディフュージョン38に着目したB−B’断面線およびC−C’断面線における濃度分布(プロファイル)断面構造の模式図である。図3Aは、図3のA−A’断面線および図2のB−B’断面線のポテンシャル断面図の一例である。
<Pixel structure>
FIG. 3 shows density distributions (profiles) in the BB ′ cross-sectional line and the CC ′ cross-sectional line of the unit pixels 3 constituting the unit pixel group 2 shown in FIG. 2 focusing on the charge generation unit 32 and the floating diffusion 38. FIG. 3 is a schematic diagram of a cross-sectional structure. 3A is an example of a potential sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 3 and the line BB ′ in FIG. 2.

一例として、n型シリコン基板(第1導電型の半導体基板NSUB)上に、第2導電型の半導体層としてのp型不純物(Pウェル)が形成されており、第2導電型の半導体層に第1導電型の不純物をイオン注入することによって形成された電荷蓄積層(第1センサ領域)を具備したフォトダイオードPDがセンサ部(受光部)として形成される。つまり、n型の半導体基板NSUBを用い、電荷生成部32として、Pウェル内にn型のフォトダイオードPDを形成している。光を受光し光電変換して得た信号電荷が、電荷蓄積層に蓄積される。   As an example, a p-type impurity (P well) as a second conductivity type semiconductor layer is formed on an n-type silicon substrate (first conductivity type semiconductor substrate NSUB), and the second conductivity type semiconductor layer is formed on the second conductivity type semiconductor layer. A photodiode PD having a charge storage layer (first sensor region) formed by ion-implanting impurities of the first conductivity type is formed as a sensor unit (light receiving unit). That is, an n-type semiconductor substrate NSUB is used, and an n-type photodiode PD is formed in the P-well as the charge generation unit 32. Signal charges obtained by receiving light and performing photoelectric conversion are accumulated in the charge accumulation layer.

また、さらに好ましくは、このようなセンサ部(フォトダイオードPD)において、N+ 型不純物領域かなるNPダイオードの表面側の電荷蓄積層上にさらに、P+ 型不純物領域からなる正孔蓄積層(第2センサ領域とも言う)が積層された、いわゆるHAD(Hole Accumulated Diode)構造とする。   More preferably, in such a sensor portion (photodiode PD), a hole accumulation layer (P + type impurity region) (P + type impurity region) is further formed on the charge accumulation layer on the surface side of the NP diode (N + type impurity region). A so-called HAD (Hole Accumulated Diode) structure in which the second sensor region is also stacked.

この場合、読出しゲート部TRG 下のp型濃度をフォトダイオードPD下のウェルのp型濃度より濃くし、読出しゲート部TRG 下のフォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFD間のポテンシャル障壁が、フォトダイオードPDとウェル間のポテンシャル障壁よりも、高くなるように形成する。   In this case, the p-type concentration under the readout gate portion TRG is made higher than the p-type concentration of the well under the photodiode PD, and the potential barrier between the photodiode PD under the readout gate portion TRG and the floating diffusion FD is It is formed to be higher than the potential barrier between wells.

フォトダイオードPDに対しての露光量が多くなり電荷(たとえば電子)が過度に発生すると、フォトダイオードPD内に溢れた電荷はポテンシャル障壁の低い方向に排出されるため、フォトダイオードPD下のウェルから半導体基板NSUB方向に電荷を排出する、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造を採ることで、横方向のブルーミングを抑制するようにしている。   When the amount of exposure to the photodiode PD increases and charges (for example, electrons) are generated excessively, the charges overflowing in the photodiode PD are discharged in the direction of lower potential barrier, and therefore from the well under the photodiode PD. By adopting a so-called vertical overflow drain structure that discharges charges in the direction of the semiconductor substrate NSUB, blooming in the horizontal direction is suppressed.

しかしながら、このような縦型オーバーフロードレイン構造を採っても、ウェルを通しての電荷の移動が少なからず存在する。電荷生成部32から溢れ出す電荷量が少なければ、縦型オーバーフロードレイン構造によるブルーミング抑制の利点の方が優り問題とならないが、溢れ出す電荷量が多くなり過ぎると、このウェルを通しての電荷移動が多くなり、隣接画素へのブルーミングの問題が少なからず残ってしまうことがある。その事例については後述する。   However, even if such a vertical overflow drain structure is adopted, there is a considerable amount of charge movement through the well. If the amount of charge overflowing from the charge generation unit 32 is small, the advantage of blooming suppression by the vertical overflow drain structure is not a problem, but if the amount of overflowing overflow is too large, the charge transfer through this well is large. Therefore, there are some problems of blooming to adjacent pixels. The case will be described later.

<固体撮像装置の動作;基本動作>
図4は、図1に示した固体撮像装置1のカラムAD回路25における基本動作である、通常撮像モードの一例である全画素読出しモード時の信号取得差分処理を説明するためのタイミングチャートである。
<Operation of solid-state imaging device; basic operation>
FIG. 4 is a timing chart for explaining signal acquisition difference processing in the all-pixel readout mode, which is an example of the normal imaging mode, which is a basic operation in the column AD circuit 25 of the solid-state imaging device 1 shown in FIG. .

全画素読出しモードでは、単位画素群2の各単位画素3に対しては、従来と同様な駆動を行ない、各単位画素3中に設けた電荷生成部32a,32b,32c,32dそれぞれから個別に読出しを行なう。   In the all-pixel readout mode, each unit pixel 3 of the unit pixel group 2 is driven in the same manner as in the past, and individually from the charge generation units 32a, 32b, 32c, and 32d provided in each unit pixel 3. Read.

ここで、画素アレイ部10の各単位画素3で感知されたアナログの画素信号をデジタル信号に変換する仕組みとしては、たとえば、所定の傾きで下降する(階段状に下降する場合でもよい)ランプ波形状の参照信号Vslopと単位画素3からの画素信号における基準成分や信号成分の各電圧とが一致する点を探し、この比較処理で用いる参照信号Vslopの生成(変化開始)時点から、画素信号における基準成分や信号成分に応じた電気信号と参照信号とが一致した時点までをカウントクロックでカウント(計数)することで、基準成分や信号成分の各大きさに対応した画素信号レベルのカウント値を得る手法を採る。   Here, as a mechanism for converting an analog pixel signal sensed by each unit pixel 3 of the pixel array unit 10 into a digital signal, for example, a ramp wave that descends with a predetermined inclination (may be stepwise) A point where the reference signal Vslop having the shape matches the voltage of the reference component and the signal component in the pixel signal from the unit pixel 3 is searched, and the reference signal Vslop used in this comparison process is generated in the pixel signal from the generation (change start) point The count value of the pixel signal level corresponding to each size of the reference component and the signal component is obtained by counting (counting) with the count clock until the electrical signal corresponding to the reference component or the signal component matches the reference signal. Take the technique to get.

つまり、垂直信号線19に読み出したアナログの画素信号電圧Vxを、列ごとに配置されたカラムAD回路25の電圧比較部252で参照信号Vslopと比較する。このとき、電圧比較部252と同様に列ごとに配置されたカウンタ部254を動作させておき、参照信号Vslopのある電位とカウンタ部254とを1対1の対応をとりながら変化させることで、垂直信号線19の画素信号電圧Vxをデジタルデータに変換する。ここで、参照信号Vslopの変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で量子化しながらカウンタ部254で数えることで、デジタルデータに変換する。参照信号Vslopがある時間Δtの間にΔV変化するとして、Δtの周期でカウンタ部254を動作させると参照信号VslopがN×ΔV変化したときのカウンタ値はNとなる。   That is, the analog pixel signal voltage Vx read out to the vertical signal line 19 is compared with the reference signal Vslop by the voltage comparison unit 252 of the column AD circuit 25 arranged for each column. At this time, like the voltage comparison unit 252, the counter unit 254 arranged for each column is operated, and the potential of the reference signal Vslop and the counter unit 254 are changed while taking a one-to-one correspondence. The pixel signal voltage Vx of the vertical signal line 19 is converted into digital data. Here, a change in the reference signal Vslop is to convert a change in voltage into a change in time, and the time is quantized with a certain period (clock) and counted by the counter unit 254 to be converted into digital data. Assuming that the reference signal Vslop changes by ΔV during a certain time Δt, when the counter unit 254 is operated at a period of Δt, the counter value when the reference signal Vslop changes by N × ΔV becomes N.

ここで、垂直信号線19から出力される画素信号So(画素信号電圧Vx)は、時間系列として、基準レベルとしての画素信号の雑音を含むリセットレベルSrst の後に信号レベルSsig が現れるものである。P相の処理を基準レベル(リセットレベルSrst 、事実上リセットレベルVrst と等価)について行なう場合、D相の処理はリセットレベルSrst に信号成分Vsig を加えた信号レベルSsig についての処理となる。   Here, in the pixel signal So (pixel signal voltage Vx) output from the vertical signal line 19, the signal level Ssig appears after the reset level Srst including the noise of the pixel signal as a reference level as a time series. When the P-phase processing is performed for the reference level (reset level Srst, which is substantially equivalent to the reset level Vrst), the D-phase processing is processing for the signal level Ssig obtained by adding the signal component Vsig to the reset level Srst.

以下、リセット制御信号CLRとカウントモード制御信号UDCとデータ保持制御パルスHLDCとが制御情報CN5として、通信・タイミング制御部20からカウンタ部254へ供給されるものとして、具体的に説明する。   Hereinafter, the reset control signal CLR, the count mode control signal UDC, and the data retention control pulse HLDC will be specifically described as being supplied from the communication / timing control unit 20 to the counter unit 254 as the control information CN5.

先ず、リセットレベルSrst についてのAD変換期間であるプリチャージ相(P相と省略して記すこともある)の信号取得時には、通信・タイミング制御部20は、リセット制御信号CLRをアクティブHにして、カウンタ部254の各フリップフロップ510の非反転出力端Qから出力されるカウント値を初期値“0”にリセットさせるとともに、カウンタ部254をダウンカウントモードに設定する(t1)。このとき、通信・タイミング制御部20は、データ保持制御パルスHLDCをアクティブHに、またカウントモード制御信号UDCをローレベル(つまりダウンカウントモード)にしておく。   First, when acquiring a signal of a precharge phase (may be abbreviated as P phase) that is an AD conversion period for the reset level Srst, the communication / timing control unit 20 sets the reset control signal CLR to active H, The count value output from the non-inverting output terminal Q of each flip-flop 510 of the counter unit 254 is reset to the initial value “0”, and the counter unit 254 is set to the down-count mode (t1). At this time, the communication / timing controller 20 sets the data holding control pulse HLDC to active H and sets the count mode control signal UDC to low level (that is, down count mode).

またこのとき、単位画素3では、読出対象行Vnの垂直選択信号φVSELをアクティブHにして画素信号Soの垂直信号線19への出力を許可し、ほぼ同時にリセット信号φRST をアクティブHにしてフローティングディフュージョン38をリセット電位にする(t1〜t2)。このリセット電位が画素信号Soとして垂直信号線19に出力される。これにより、画素信号電圧Vxとしては、リセットレベルSrst が垂直信号線19に現れるようになる。   At this time, in the unit pixel 3, the vertical selection signal φVSEL of the read target row Vn is set to active H to permit the output of the pixel signal So to the vertical signal line 19, and the reset signal φRST is set to active H almost at the same time. 38 is set to the reset potential (t1 to t2). This reset potential is output to the vertical signal line 19 as the pixel signal So. As a result, the reset level Srst appears on the vertical signal line 19 as the pixel signal voltage Vx.

垂直信号線19(H1,H2,…)上のリセットレベルSrst が収束して安定となったら、通信・タイミング制御部20は、カウンタ部254におけるカウント動作開始と同時に参照信号Vslopが変化し始めるようにするべく、制御データCN4として、データ保持制御パルスHLDCを使用し、このデータ保持制御パルスHLDCをインアクティブLにする(t10)。   When the reset level Srst on the vertical signal lines 19 (H1, H2,...) Converges and becomes stable, the communication / timing control unit 20 seems to start changing the reference signal Vslop simultaneously with the start of the counting operation in the counter unit 254. Therefore, the data holding control pulse HLDC is used as the control data CN4, and this data holding control pulse HLDC is set to inactive L (t10).

これを受けて、参照信号生成部27は、電圧比較部252の一方の入力端子RAMPへの比較電圧である参照信号Vslopとして、初期電圧SLP_iniを始点とする、全体として鋸歯状(RAMP状)に時間変化させた階段状もしくは線形状の電圧波形を入力する。電圧比較部252は、この参照信号Vslopと画素アレイ部10から供給される垂直信号線19の画素信号電圧Vxとを比較する。   In response to this, the reference signal generation unit 27 as a reference signal Vslop, which is a comparison voltage to one input terminal RAMP of the voltage comparison unit 252, has an overall sawtooth shape (RAMP shape) starting from the initial voltage SLP_ini. Input a stepped or linear voltage waveform over time. The voltage comparison unit 252 compares the reference signal Vslop with the pixel signal voltage Vx of the vertical signal line 19 supplied from the pixel array unit 10.

電圧比較部252の入力端子RAMPへの参照信号Vslopの入力と同時に、電圧比較部252における比較時間を、参照信号生成部27から発せられる参照信号Vslopに同期して、行ごとに配置されたカウンタ部254で計測する。実際には、参照信号Vslopの生成のためにデータ保持制御パルスHLDCがインアクティブLにされており、これによってデータ保持部512の保持動作が解除されるので、カウンタ部254は、P相のカウント動作として、初期値“0”からダウンカウントを開始する。すなわち、負の方向にカウント処理を開始する。   At the same time as the input of the reference signal Vslop to the input terminal RAMP of the voltage comparison unit 252, the comparison time in the voltage comparison unit 252 is synchronized with the reference signal Vslop issued from the reference signal generation unit 27, and the counter arranged for each row The unit 254 measures. Actually, the data holding control pulse HLDC is set to inactive L to generate the reference signal Vslop, and the holding operation of the data holding unit 512 is thereby released, so that the counter unit 254 counts the P phase. As an operation, the down-counting is started from the initial value “0”. That is, the count process is started in the negative direction.

電圧比較部252は、参照信号生成部27からのランプ状の参照信号Vslopと垂直信号線19を介して入力される画素信号電圧Vxとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレート出力をHレベルからLレベルへ反転させる。つまり、リセットレベルVrst に応じた電圧信号(リセットレベルSrst )と参照信号Vslopとを比較して、リセットレベルVrst の大きさに対応した時間軸方向に大きさを持っているアクティブロー(L)のパルス信号を生成して、カウンタ部254に供給する。   The voltage comparison unit 252 compares the ramp-shaped reference signal Vslop from the reference signal generation unit 27 with the pixel signal voltage Vx input through the vertical signal line 19 and when both voltages become the same, The comparator output is inverted from H level to L level. That is, the voltage signal (reset level Srst) corresponding to the reset level Vrst and the reference signal Vslop are compared, and the active low (L) having a magnitude in the time axis direction corresponding to the magnitude of the reset level Vrst. A pulse signal is generated and supplied to the counter unit 254.

この結果を受けて、カウンタ部254は、コンパレート出力の反転とほぼ同時にカウント動作を停止し、その時点のカウント値(符号を加味して“−Drst ”とする)を画素データとしてラッチ(保持・記憶)することでAD変換を完了する。つまり、電圧比較部252における比較処理によって得られる時間軸方向に大きさを持っているアクティブロー(L)のパルス信号の幅をカウントクロックCK0でカウント(計数)することで、リセットレベルVrst の大きさに対応したデジタル値Drst を示す(符号を加味すれば−Drst を示す)カウント値を得る。   In response to this result, the counter unit 254 stops the counting operation almost simultaneously with the inversion of the comparator output, and latches (holds) the count value at that time (“−Drst” taking the sign into account) as pixel data. (Storing) to complete AD conversion. That is, the width of the active-low (L) pulse signal having a magnitude in the time axis direction obtained by the comparison process in the voltage comparison unit 252 is counted (counted) by the count clock CK0, thereby increasing the reset level Vrst. A count value indicating a digital value Drst corresponding to the value (indicating -Drst if a sign is added) is obtained.

通信・タイミング制御部20は、所定のダウンカウント期間を経過すると、データ保持制御パルスHLDCをアクティブHにする(t14)。これにより、参照信号生成部27は、ランプ状の参照信号Vslopの生成を停止し(t14)、初期電圧SLP_iniに戻る。   When the predetermined down-count period has elapsed, the communication / timing control unit 20 sets the data holding control pulse HLDC to active H (t14). As a result, the reference signal generator 27 stops generating the ramp-like reference signal Vslop (t14) and returns to the initial voltage SLP_ini.

P相の処理時は、画素信号電圧VxにおけるリセットレベルVrst を電圧比較部252で検知してカウンタ部254でカウント動作を行なっているので、単位画素3のリセットレベルVrst を読み出してリセットレベルVrst のAD変換を実施することになる。   At the time of P-phase processing, the reset level Vrst in the pixel signal voltage Vx is detected by the voltage comparison unit 252 and the counter unit 254 performs the count operation. Therefore, the reset level Vrst of the unit pixel 3 is read and the reset level Vrst AD conversion will be performed.

続いての信号レベルSsig についてのAD変換期間であるデータ相(D相と省略して記すこともある)の信号取得時には、リセットレベルVrst に加えて、単位画素3ごとの入射光量に応じた信号成分Vsig を読み出し、P相の読出しと同様の動作を行なう。すなわち、先ず通信・タイミング制御部20は、カウントモード制御信号UDCをハイレベルにしてカウンタ部254をアップカウントモードに設定する(t16)。   At the time of signal acquisition of the data phase (may be abbreviated as D phase) that is the AD conversion period for the subsequent signal level Ssig, in addition to the reset level Vrst, a signal corresponding to the amount of incident light for each unit pixel 3 The component Vsig is read, and the same operation as the P-phase reading is performed. That is, first, the communication / timing control unit 20 sets the count mode control signal UDC to the high level and sets the counter unit 254 to the up-count mode (t16).

またこのとき、単位画素3では、読出対象行Vnの垂直選択信号φVSELをアクティブHにしたままで転送信号φTRG をアクティブHにして垂直信号線19に信号レベルSsig を読み出す(t18〜t19)。   At this time, the unit pixel 3 reads the signal level Ssig to the vertical signal line 19 by setting the transfer signal φTRG to active H while keeping the vertical selection signal φVSEL of the read target row Vn active H (t18 to t19).

垂直信号線19(H1,H2,…)上の信号レベルSsig が収束して安定となったら、通信・タイミング制御部20は、カウンタ部254におけるカウント動作開始と同時に参照信号Vslopが変化し始めるようにするべく、制御データCN4として、データ保持制御パルスHLDCを使用し、このデータ保持制御パルスHLDCをインアクティブLにする(t20)。   When the signal level Ssig on the vertical signal lines 19 (H1, H2,...) Converges and becomes stable, the communication / timing control unit 20 starts changing the reference signal Vslop simultaneously with the start of the counting operation in the counter unit 254. Therefore, the data holding control pulse HLDC is used as the control data CN4, and this data holding control pulse HLDC is set to inactive L (t20).

これを受けて、参照信号生成部27は、電圧比較部252の一方の入力端子RAMPへの比較電圧である参照信号Vslopとして、初期電圧SLP_iniを始点としP相と同じ傾きを持った全体として鋸歯状(RAMP状)に時間変化させた階段状もしくは線形状の電圧波形を入力する。電圧比較部252は、この参照信号Vslopと画素アレイ部10から供給される垂直信号線19の画素信号電圧Vxとを比較する。   In response to this, the reference signal generation unit 27 as a reference signal Vslop, which is a comparison voltage to one input terminal RAMP of the voltage comparison unit 252, has a sawtooth as a whole having the initial voltage SLP_ini as the starting point and the same slope as the P phase. A stepped or linear voltage waveform that is time-varying in the shape (RAMP) is input. The voltage comparison unit 252 compares the reference signal Vslop with the pixel signal voltage Vx of the vertical signal line 19 supplied from the pixel array unit 10.

電圧比較部252の入力端子RAMPへの参照信号Vslopの入力と同時に、電圧比較部252における比較時間を、参照信号生成部27から発せられる参照信号Vslopに同期して、行ごとに配置されたカウンタ部254で計測する。ここでも、実際には、参照信号Vslopの生成のためにデータ保持制御パルスHLDCがインアクティブLにされており、これによってデータ保持部512の保持動作が解除されるので、カウンタ部254は、D相のカウント動作として、P相の読出しおよびAD変換時に取得された画素信号電圧VxのリセットレベルSrst のデジタル値Drst (ここでは負の値となっている)から、P相とは逆にアップカウントを開始する。すなわち、正の方向にカウント処理を開始する。   At the same time as the input of the reference signal Vslop to the input terminal RAMP of the voltage comparison unit 252, the comparison time in the voltage comparison unit 252 is synchronized with the reference signal Vslop issued from the reference signal generation unit 27, and the counter arranged for each row The unit 254 measures. In this case as well, in practice, the data holding control pulse HLDC is set to inactive L to generate the reference signal Vslop, and thereby the holding operation of the data holding unit 512 is released. As the phase counting operation, the digital signal Drst (in this case, a negative value) of the reset level Srst of the pixel signal voltage Vx acquired at the time of P-phase reading and AD conversion is used, and the up-counting is performed contrary to the P-phase. To start. That is, the count process starts in the positive direction.

電圧比較部252は、参照信号生成部27からのランプ状の参照信号Vslopと垂直信号線19を介して入力される画素信号電圧Vxとを比較し、双方の電圧が同じになったときに、コンパレート出力をHレベルからLレベルへ反転させる(t22)。つまり、信号成分Vsig に応じた電圧信号(画素信号電圧Vxの信号レベルSsig )と参照信号Vslopとを比較して、信号成分Vsig の大きさに対応した時間軸方向に大きさを持っているアクティブロー(L)のパルス信号を生成して、カウンタ部254に供給する。   The voltage comparison unit 252 compares the ramp-shaped reference signal Vslop from the reference signal generation unit 27 with the pixel signal voltage Vx input through the vertical signal line 19 and when both voltages become the same, The comparator output is inverted from H level to L level (t22). That is, a voltage signal corresponding to the signal component Vsig (the signal level Ssig of the pixel signal voltage Vx) is compared with the reference signal Vslop, and the active has a magnitude in the time axis direction corresponding to the magnitude of the signal component Vsig. A low (L) pulse signal is generated and supplied to the counter unit 254.

この結果を受けて、カウンタ部254は、コンパレート出力の反転とほぼ同時にカウント動作を停止し、その時点のカウント値を画素データとしてラッチ(保持・記憶)することでAD変換を完了する(t22)。つまり、電圧比較部252における比較処理によって得られる時間軸方向に大きさを持っているアクティブロー(L)のパルス信号の幅をカウントクロックCK0でカウント(計数)することで、画素信号電圧Vxにおける信号レベルSsig に対応したカウント値を得る。   In response to this result, the counter unit 254 stops the count operation almost simultaneously with the inversion of the comparator output, and latches (holds / stores) the count value at that time as pixel data, thereby completing the AD conversion (t22). ). That is, the width of the active low (L) pulse signal having a magnitude in the time axis direction obtained by the comparison processing in the voltage comparison unit 252 is counted (counted) by the count clock CK0, so that the pixel signal voltage Vx A count value corresponding to the signal level Ssig is obtained.

所定のアップカウント期間を経過すると、単位画素3では、読出対象行Vnの垂直選択信号φVSELをインアクティブLにして画素信号Soの垂直信号線19への出力を禁止し、次の読出対象行Vn+1について、垂直選択信号φVSELをアクティブHにする(t26)。このとき、通信・タイミング制御部20は、次の読出対象行Vn+1についての処理に備える。たとえば、カウントモード制御信号UDCをローレベルにしてカウンタ部254をアッダウンカウントモードに設定する。   When a predetermined up-count period elapses, in the unit pixel 3, the vertical selection signal φVSEL of the readout target row Vn is set to inactive L, and the output of the pixel signal So to the vertical signal line 19 is prohibited, and the next readout target row Vn + 1. , The vertical selection signal φVSEL is set to active H (t26). At this time, the communication / timing control unit 20 prepares for processing for the next read target row Vn + 1. For example, the count mode control signal UDC is set to a low level to set the counter unit 254 to the up / down count mode.

このD相の処理時は、画素信号電圧Vxにおける信号レベルSsig を電圧比較部252で検知してカウント動作を行なっているので、単位画素3の信号成分Vsig を読み出して信号レベルSsig のAD変換を実施することになる。   At the time of this D-phase processing, the signal level Ssig at the pixel signal voltage Vx is detected by the voltage comparison unit 252, and the counting operation is performed. Therefore, the signal component Vsig of the unit pixel 3 is read and AD conversion of the signal level Ssig is performed. Will be implemented.

ここで、信号レベルSsig は、リセットレベルSrst に信号成分Vsig を加えたレベルであるので、信号レベルSsig のAD変換結果のカウント値は、基本的には“Drst +Dsig ”であるが、アップカウントの開始点を、リセットレベルSrst のAD変換結果である“−Drst ”としているので、実際に保持されるカウント値は、“−Drst +(Dsig+Drst ) =Dsig ”となる。   Here, since the signal level Ssig is a level obtained by adding the signal component Vsig to the reset level Srst, the count value of the AD conversion result of the signal level Ssig is basically “Drst + Dsig”. Since the starting point is “−Drst”, which is the AD conversion result of the reset level Srst, the count value actually held is “−Drst + (Dsig + Drst) = Dsig”.

つまり、本実施形態においては、カウンタ部254におけるカウント動作を、P相の処理時にはダウンカウント、D相の処理時にはアップカウントとしているので、カウンタ部254内で自動的に、リセットレベルSrst のAD変換結果であるカウント値“−Drst ”と信号レベルSsig のAD変換結果であるカウント値“Drst +Dsig ”との間での差分処理(減算処理)が自動的に行なわれ、この差分処理結果に応じたカウント値Dsig がカウンタ部254に保持される。この差分処理結果に応じたカウンタ部254に保持されるカウント値Dsig は信号成分Vsig に応じたものとなる。   That is, in the present embodiment, the counting operation in the counter unit 254 is down-counting during the P-phase processing and up-counting during the D-phase processing, so that the AD conversion of the reset level Srst is automatically performed within the counter unit 254. Difference processing (subtraction processing) is automatically performed between the count value “−Drst” as a result and the count value “Drst + Dsig” as an AD conversion result of the signal level Ssig, and according to the difference processing result. The count value Dsig is held in the counter unit 254. The count value Dsig held in the counter unit 254 corresponding to the difference processing result corresponds to the signal component Vsig.

上述のようにして、P相の処理時におけるダウンカウントとD相の処理時におけるアップカウントといった、2回の読出しとカウント処理によるカウンタ部254内での差分処理によって、単位画素3ごとのばらつきを含んだリセットレベルVrst を除去することができ、単位画素3ごとの入射光量に応じた信号成分Vsig のみのAD変換結果を簡易な構成で取得することができる。   As described above, the variation for each unit pixel 3 is caused by the difference processing in the counter unit 254 by the two readings and the counting process, such as the down-counting in the P-phase process and the up-counting in the D-phase process. The included reset level Vrst can be removed, and an AD conversion result of only the signal component Vsig corresponding to the amount of incident light for each unit pixel 3 can be obtained with a simple configuration.

よって、本実施形態のカラムAD回路25は、アナログの画素信号をデジタルの画素データに変換するデジタル変換部としてだけでなく、CDS(Correlated Double Sampling ;相関2重サンプリング)処理機能部としても動作することとなる。   Therefore, the column AD circuit 25 of the present embodiment operates not only as a digital conversion unit that converts an analog pixel signal into digital pixel data but also as a CDS (Correlated Double Sampling) processing function unit. It will be.

また、本実施形態のカラムAD回路25では、カウンタ部254の後段にデータ記憶部256を備えており、カウンタ部254の動作前に、通信・タイミング制御部20からのメモリ転送指示パルスCN8に基づき、前行Hx−1のカウント結果をデータ記憶部256に転送することができる。   Further, the column AD circuit 25 of the present embodiment includes a data storage unit 256 subsequent to the counter unit 254, and based on the memory transfer instruction pulse CN8 from the communication / timing control unit 20 before the operation of the counter unit 254. The count result of the preceding row Hx-1 can be transferred to the data storage unit 256.

つまり、AD変換期間終了後、カウンタ部254内のデータをデータ記憶部256へと退避し、カラムAD回路25は次の行Vx+1のAD変換を開始する。データ記憶部256内のデータは、その裏で水平走査回路12により順に選択され、出力回路28を用いて読み出すことができる。   That is, after the AD conversion period ends, the data in the counter unit 254 is saved to the data storage unit 256, and the column AD circuit 25 starts AD conversion of the next row Vx + 1. The data in the data storage unit 256 is sequentially selected by the horizontal scanning circuit 12 behind it and can be read out using the output circuit 28.

ここで、2回に亘るAD変換処理の過程で自動的に、P相(リセットレベルSrst )のデジタルデータとD相(信号レベルSsig )のデジタルデータとの差分をとることで、P相信号電位(リセットレベル電位)とD相信号電位(信号レベル電位)との差で表される信号成分Vsig のAD変換結果が得られる訳であるが、そのAD変換結果が正確であるためには、P相処理後のD相の処理過程で、読出し行の電荷生成部32からフローティングディフュージョン38へ読み出した信号電荷量のみを表す画素信号電圧Vx(=Ssig )について処理することが肝要となる。   Here, the P-phase signal potential is obtained by automatically taking the difference between the digital data of the P-phase (reset level Srst) and the digital data of the D-phase (signal level Ssig) in the course of the AD conversion process twice. The AD conversion result of the signal component Vsig represented by the difference between the (reset level potential) and the D-phase signal potential (signal level potential) is obtained. In order for the AD conversion result to be accurate, P It is important to process the pixel signal voltage Vx (= Ssig) representing only the signal charge amount read from the charge generation unit 32 of the readout row to the floating diffusion 38 in the process phase of the D phase after the phase processing.

したがって、D相の処理過程で、読出し行の電荷生成部32以外で生成される不要な電荷がフローティングディフュージョン38に流れ込むと、そのときの信号レベルSnは、本来の信号レベルSsig に不要な電荷に基づく信号成分(以下不要信号成分Vnoise )を加算した値(Sn=Ssig +Vnoise )となり、前述のCDS処理をしたとしても、AD変換結果として得られるカウント値はDsig とはならない。   Therefore, if unnecessary charges generated by the part other than the charge generation unit 32 in the read row flow into the floating diffusion 38 in the process of the D phase, the signal level Sn at that time becomes an unnecessary charge for the original signal level Ssig. Based on this, a count value obtained as an AD conversion result does not become Dsig even if the above-described CDS processing is performed (Sn = Ssig + Vnoise).

すなわち、不要信号成分Vnoise についてのカウント値をDnoise とすると、リセットレベルSrst のAD変換結果であるカウント値“−Drst ”と“信号レベルSsig +不要信号成分Vnoise ”のAD変換結果であるカウント値“Drst +Dsig +Dnoise ”との間での差分処理(減算処理)が自動的に行なわれ、この差分処理結果に応じたカウント値“Dsig +Dnoise ”がカウンタ部254に保持されるのである。明らかに、差分処理結果に応じたカウンタ部254に保持されるカウント値“Dsig +Dnoise ”は、信号成分Vsig に対応するデジタルデータDsig とはならず、信号成分Vsig に不要信号成分Vnoise を加算したものを表す。   That is, if the count value for the unnecessary signal component Vnoise is Dnoise, the count value “−Drst” that is the AD conversion result of the reset level Srst and the count value “−Drst” that is the AD conversion result of the “signal level Ssig + unnecessary signal component Vnoise”. The difference processing (subtraction processing) between “Drst + Dsig + Dnoise” is automatically performed, and the count value “Dsig + Dnoise” corresponding to the difference processing result is held in the counter unit 254. Obviously, the count value “Dsig + Dnoise” held in the counter unit 254 according to the difference processing result is not the digital data Dsig corresponding to the signal component Vsig, but is obtained by adding the unnecessary signal component Vnoise to the signal component Vsig. Represents.

特に、本実施形態のように、シングルスロープ積分型のAD変換では、P相の取得時間とD相の処理時間は異なり、画素信号レベルが大きいほど参照信号Vslopと画素信号レベルとが一致するまでの比較処理時間が長くなり、その間にフローティングディフュージョン38の電位が下がり続ける。その結果、画素信号レベルが大きいほどCDS処理でキャンセルできない不要信号成分Vnoise が大きくなる。この問題が生じる事例とその対策については後述する。   In particular, in the single slope integration type AD conversion as in the present embodiment, the acquisition time of the P phase and the processing time of the D phase are different, and the reference signal Vslop and the pixel signal level coincide with each other as the pixel signal level increases. The comparison processing time becomes longer, and the potential of the floating diffusion 38 continues to decrease during that time. As a result, the unnecessary signal component Vnoise that cannot be canceled by the CDS process increases as the pixel signal level increases. Cases where this problem occurs and countermeasures will be described later.

<<間引き読出しモード>>
ここで、図1に示した固体撮像装置1は、画素アレイ部10からの画素信号の読出しを行単位で一度に行なうタイプのCMOSセンサであり、全画素読出しモードと間引き読出しモードの2つの読出しモードを有する。
<< Thinning readout mode >>
Here, the solid-state imaging device 1 shown in FIG. 1 is a CMOS sensor of a type that reads pixel signals from the pixel array unit 10 at a time in units of rows, and performs two readouts of an all-pixel readout mode and a thinning readout mode. Has a mode.

画素アレイ部10を構成する全ての単位画素3から画素信号電圧Vxを読み出す全画素読出しモード時には、シャッタ行に対する処理と読出し行に対する処理とを第1行から最終行まで、全ての行を順に選択して、図4に示したようなタイミングで処理することになる。   In the all-pixel reading mode in which the pixel signal voltage Vx is read out from all the unit pixels 3 constituting the pixel array unit 10, processing for the shutter row and processing for the reading row are sequentially selected from the first row to the last row. Thus, processing is performed at the timing as shown in FIG.

また、たとえば、高フレームレートで動作させたい場合や、1フレーム当たりの情報量を減らしたい場合などには、間引き読出しモードを適用して、全ての行を順次読出対象とするのではなく、m行ごとに1行を選択して読出し行とする、1/m間引き動作を行なうことがある。すなわち、1行分の画素信号を読み出す→m−1行飛ばす→1行分を読み出す→…という動作シーケンスにより、画素アレイ部10の総行数の1/mに当たる画素信号のみを読み出す。この動作モードを1/m行間引き読出しモードと称し、m行中“m−1”行を占める間引かれる行を間引き行(あるいは非選択行)と称し、間引かれない行を読出し行(あるいは選択行や信号出力行)と称する。   Further, for example, when it is desired to operate at a high frame rate or to reduce the amount of information per frame, the thinning-out reading mode is applied, and not all rows are sequentially read out. A 1 / m thinning operation may be performed in which one row is selected for each row and used as a read row. That is, only pixel signals corresponding to 1 / m of the total number of rows of the pixel array unit 10 are read out by an operation sequence of reading out pixel signals for one row → m-1 skipping → reading one row →. This operation mode is referred to as a 1 / m-th thinning-out reading mode, a thinned-out line that occupies “m−1” lines in m lines is referred to as a thinned-out line (or a non-selected line), and a non-thinned-out line is read out ( Alternatively, it is called a selected row or a signal output row).

1/m行間引き読出しモードを全画素読出しモード以外に設けると、1/m行間引き読出しモード時には、1フレーム当たりの情報量を1/mに、撮像速度をm倍にすることができ、多画素と高速読み出しの相反するニーズに応えることができる。間引き動作への切替えは、動作モードを1/m間引きモードへと切り替えるための信号が外部から入力され、通信・タイミング制御部20から水平走査回路12や垂直走査回路14に送られる駆動信号が1/m間引き用に切り替わることにより行なわれる。   If the 1 / m row thinning readout mode is provided in addition to the all-pixel readout mode, the amount of information per frame can be reduced to 1 / m and the imaging speed can be increased m times in the 1 / m row thinning readout mode. It can meet the conflicting needs of pixels and high-speed reading. For switching to the thinning operation, a signal for switching the operation mode to the 1 / m thinning mode is input from the outside, and a drive signal sent from the communication / timing control unit 20 to the horizontal scanning circuit 12 or the vertical scanning circuit 14 is 1. / M is performed by switching to thinning-out.

たとえば、デジタルスチルカメラでは、静止画を撮り込む前に、通常、小画面のたとえば液晶モニタに動画(被写体画像)を映し出して被写体を確認(モニタリング)する作業が行なわれる。この被写体を確認している段階(モニタリングモード)では、液晶モニタに映し出される映像は高解像度である必要がなく、液晶モニタの画素数に応じた荒い画像(低解像度の画像)でよいので、画素情報の間引き処理が行なわれる。また、デジタルスチルカメラなどの携帯機器における画像伝送では、送信のデータレートが限られている。したがって、静止画については高精細な画像を得るために全画素の画素情報を伝送し、動画については画素情報を間引きすることによって情報量を減少させて伝送するべく、画素情報の間引き処理が行なわれる。   For example, in a digital still camera, before taking a still image, usually, an operation of projecting a moving image (subject image) on, for example, a liquid crystal monitor on a small screen and confirming (monitoring) the subject is performed. At the stage where the subject is confirmed (monitoring mode), the image displayed on the LCD monitor does not need to have a high resolution, and may be a rough image (low resolution image) according to the number of pixels on the LCD monitor. Information thinning processing is performed. Further, in image transmission in a portable device such as a digital still camera, the transmission data rate is limited. Therefore, pixel information is thinned out to transmit high-definition images for still images, and pixel information is thinned out to transmit moving images with a reduced amount of information. It is.

垂直方向についての画素情報の間引き処理では、実際に使用する行を間引く処理が行なわれる。この場合、イメージセンサから画素情報を全画素分(全行分)読み出した後、外部の信号処理系で画素情報を行単位で間引く方法と、単位画素からの画素信号の読出し自体を行単位で間引く方法の何れを採ることが考えられる。   In the thinning process of pixel information in the vertical direction, a process of thinning out rows that are actually used is performed. In this case, after reading out pixel information from the image sensor for all pixels (for all rows), a method of thinning out pixel information in units of rows by an external signal processing system, and readout of pixel signals from unit pixels in units of rows Any of the thinning methods can be considered.

本実施形態の間引き読出しモードでは、後者のように、単位画素からの画素信号の読出し自体を行単位で間引く手法を適用する。このような間引き動作は、低消費電力での動作に応えることができ、また読み出す行が少ないため、高速読出しが可能となる点でも有利である。   In the thinning-out reading mode of this embodiment, a method of thinning out pixel signals from unit pixels per row is applied as in the latter case. Such a thinning-out operation can respond to an operation with low power consumption and is advantageous in that high-speed reading is possible because there are few rows to be read.

<1/3行間引き読出しモード>
図5および図6は、本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式に対する第1比較例を示す図である。第1比較例では、間引き読出しモードの一例として3行に1行の信号を出力する1/3行間引き読出しモード時の動作を模式化して示している。
<1/3 line thinning readout mode>
5 and 6 are diagrams showing a first comparative example for the pixel driving method in the thinning readout mode of the present embodiment. In the first comparative example, as an example of the thinning-out reading mode, an operation in the 1 / 3-row thinning-out reading mode in which one row of signals is output every three rows is schematically shown.

図5は、CMOS型の固体撮像装置1の画素アレイ部10においてマトリクス状に配列された単位画素3の配列を模式的に示しており、外枠の画素アレイ部10中の1つ1つの升目が単位画素3を示している。   FIG. 5 schematically shows the arrangement of the unit pixels 3 arranged in a matrix in the pixel array unit 10 of the CMOS type solid-state imaging device 1, and each cell in the pixel array unit 10 of the outer frame. Indicates the unit pixel 3.

前述のように、通常の読出しモードである全画素読出しモード時は垂直走査回路14の動作によって全行の画素が(図の下側から)順番に選択されるが、1/3行間引き読出しモードでは、画素アレイ部10の内、連続する3行中の“3−1=2”行を占める間引き行を除く斜線ハッチングで示す1行だけが読出し行として順次選択されて読み出しが行なわれて、残りの白枠で示す3行当たり2行は間引き行として選択されないような動作となる。   As described above, in the all-pixel reading mode which is the normal reading mode, the pixels in all rows are selected in order (from the lower side of the figure) by the operation of the vertical scanning circuit 14, but the 1 / 3-row thinning-out reading mode is selected. In the pixel array unit 10, only one row indicated by hatching except for the thinned-out row that occupies the “3-1 = 2” rows in the continuous three rows is sequentially selected as a read row and read out. The operation is such that two lines per three lines indicated by the remaining white frames are not selected as thinning lines.

図6には、図5に対応する単位画素3の動作を説明するタイミングチャートが示されている。ここで、図6(A)はその動作の全体概要を示し、図6(B)は、転送パルスTRG に着目して複数水平期間に亘って示している。   FIG. 6 shows a timing chart for explaining the operation of the unit pixel 3 corresponding to FIG. Here, FIG. 6A shows the overall outline of the operation, and FIG. 6B shows over a plurality of horizontal periods by paying attention to the transfer pulse TRG.

図6からも分かるように、読出動作行やシャッタ動作行となる読出し行のみ、読出選択用トランジスタ34、リセットトランジスタ36、および垂直選択用トランジスタ40に対してハイ(High)電圧またはロー(Low )電圧が供給されて動作し、間引き行に対しては、読出選択用トランジスタ34、リセットトランジスタ36、および垂直選択用トランジスタ40に対して常時ロー(Low )電圧が供給される。   As can be seen from FIG. 6, only the read operation row or the shutter operation row is the high voltage or low voltage for the read selection transistor 34, the reset transistor 36, and the vertical selection transistor 40. A voltage is supplied to operate, and a low voltage is always supplied to the read selection transistor 34, the reset transistor 36, and the vertical selection transistor 40 for thinning-out.

読出し行がシャッタ動作を行なう行(シャッタ動作行)に該当する水平期間のある時点では、転送パルスTRG をアクティブHにして読出選択用トランジスタ34をオンさせ、それ以前に電荷生成部32に蓄積され読出しには不要となる電荷をフローティングディフュージョン38に転送し、ほぼ同時にもしくはその後に画素リセットパルスRST がアクティブHとされることでリセットトランジスタ36がオンし、フローティングディフュージョン38に転送した不要な電荷をリセット電源Vrdに掃き捨てる。この動作をシャッタ動作と称する。   At a point in time when the readout row has a horizontal period corresponding to the row where the shutter operation is performed (shutter operation row), the transfer pulse TRG is set to active H to turn on the readout selection transistor 34, and the charge generation unit 32 accumulates before that. Charges that are unnecessary for reading are transferred to the floating diffusion 38, and the reset transistor 36 is turned on when the pixel reset pulse RST is set to active H almost simultaneously or thereafter, and the unnecessary charges transferred to the floating diffusion 38 are reset. Sweep to power supply Vrd. This operation is referred to as a shutter operation.

ここで、シャッタ動作行の転送パルスTRG と画素リセットパルスRST の各アクティブとするタイミングは、シャッタ動作と並行して処理がなされる読出し動作行の動作や出力画像に悪影響を与えないようにすることを考慮すべきである。そのためには、シャッタ動作行の転送パルスTRG と画素リセットパルスRST のタイミングを、読出し動作行の他のパルス(本例では画素リセットパルスRST と転送パルスTRG )のタイミングに合わせることが肝要である。   Here, the activation timings of the transfer pulse TRG and the pixel reset pulse RST in the shutter operation row should not adversely affect the operation in the readout operation row that is processed in parallel with the shutter operation and the output image. Should be considered. For this purpose, it is important to match the timing of the transfer pulse TRG and the pixel reset pulse RST in the shutter operation row with the timing of other pulses in the readout operation row (in this example, the pixel reset pulse RST and the transfer pulse TRG).

この場合、シャッタ動作行では転送パルスTRG の後に画素リセットパルスRST を発生させる場合であれば、必然的に、シャッタ動作行の転送パルスTRG と読出し動作行の画素リセットパルスRST のタイミングを一致させるとともに、シャッタ動作行の画素リセットパルスRST と読出し動作行の転送パルスTRG のタイミングを一致させる。また、シャッタ動作行では転送パルスTRG と画素リセットパルスRST のタイミングを一致させる場合であれば、それらのタイミングを、読出し動作行の画素リセットパルスRST もしくは転送パルスTRG のタイミングに合わせる。   In this case, if the pixel reset pulse RST is generated after the transfer pulse TRG in the shutter operation row, the timing of the transfer pulse TRG in the shutter operation row and the pixel reset pulse RST in the readout operation row are necessarily matched. The timings of the pixel reset pulse RST in the shutter operation row and the transfer pulse TRG in the readout operation row are matched. In the shutter operation row, if the timings of the transfer pulse TRG and the pixel reset pulse RST are matched, the timings are matched with the timing of the pixel reset pulse RST or the transfer pulse TRG in the read operation row.

本実施形態では、シャッタ動作行では転送パルスTRG と画素リセットパルスRST のタイミングを一致させ、かつ、それらのタイミングを、読出し動作行の画素リセットパルスRST のタイミングに合わせる。なお、シャッタ動作行の画素リセットパルスRST と読出し動作行の転送パルスTRG のタイミングを一致させる場合、リセット動作を確実にするには、オフタイミングに関しては、厳密には、図中に点線で示すように転送パルスTRG をインアクティブLにした後に画素リセットパルスRST をインアクティブLにするのがよい。   In this embodiment, the timings of the transfer pulse TRG and the pixel reset pulse RST are matched in the shutter operation row, and those timings are matched with the timing of the pixel reset pulse RST in the readout operation row. In order to ensure the reset operation when the pixel reset pulse RST in the shutter operation row and the transfer pulse TRG in the readout operation row are matched, strictly speaking, the off timing is as shown by the dotted line in the figure. It is preferable to set the pixel reset pulse RST to inactive L after the transfer pulse TRG is set to inactive L.

シャッタ動作が行なわれた行(シャッタ動作行)が画素信号の読出対象の行(読出し動作行)に該当する水平期間のある時点では、垂直選択パルスVSELをアクティブHにして垂直選択用トランジスタ40をオンさせておき、先ず画素リセットパルスRST をアクティブHとしてリセットトランジスタ36をオンさせて、フローティングディフュージョン38に滞留した不要な電荷をリセット電源Vrdに掃き捨てる。   At a point in time when the row in which the shutter operation has been performed (shutter operation row) corresponds to the row from which the pixel signal is to be read (read operation row), the vertical selection pulse VSEL is set to active H and the vertical selection transistor 40 is turned on. First, the reset transistor 36 is turned on by setting the pixel reset pulse RST to active H, and unnecessary charges accumulated in the floating diffusion 38 are swept away to the reset power source Vrd.

この後、転送パルスTRG をアクティブHにして読出選択用トランジスタ34をオンさせ、シャッタ動作後からこの時点までに電荷生成部32に蓄積された電荷(特に信号電荷と称する)をフローティングディフュージョン38に転送する。これにより、フローティングディフュージョン38の電圧が信号電荷量に応じて変化するので、その変化を増幅用トランジスタ42は画素信号電圧に変換して垂直信号線53(垂直信号線19)を介してカラム処理部26へと送る。この図からも分かるように、シャッタ期間を規定する行分ずれた状態でシャッタ動作行と読出し動作行とを対にして、1水平期間ごとに、インクリメントされていく。   Thereafter, the transfer pulse TRG is set to active H to turn on the read selection transistor 34, and the charge (particularly referred to as signal charge) accumulated in the charge generation unit 32 after the shutter operation to this point is transferred to the floating diffusion 38. To do. As a result, the voltage of the floating diffusion 38 changes in accordance with the amount of signal charge, so that the amplification transistor 42 converts the change into a pixel signal voltage and the column processing unit via the vertical signal line 53 (vertical signal line 19). 26. As can be seen from this figure, the shutter operation row and the readout operation row are paired in a state shifted by a row defining the shutter period, and incremented every horizontal period.

<間引き読出しに起因する問題>
しかしながら、このような方式で単位画素3を駆動していると、間引き行と間引かれない読出し行とで、単位画素3に対する駆動条件(トランジスタの駆動頻度)が異なることに起因して、様々な問題が生じてしまう。
<Problems caused by decimation readout>
However, when the unit pixel 3 is driven by such a method, various driving conditions (transistor driving frequency) for the unit pixel 3 are different between the thinning-out row and the readout row that is not thinned out. Problems arise.

たとえば、図2および図2Aに示した単位画素群2(単位画素3)では、長時間の使用の後、間引き行と間引かれない読出し行とで、単位画素3を構成するトランジスタや画素配線(垂直選択線52、転送配線55、およびリセット配線56)を駆動する各駆動バッファBF1〜BF3を構成するドライバトランジスタの劣化度合いに差異が生じ、全画素読出しモード時に、周期的な横筋として目に見える画像特性の劣化が起きる。   For example, in the unit pixel group 2 (unit pixel 3) shown in FIGS. 2 and 2A, after a long period of use, transistors and pixel wirings that constitute the unit pixel 3 in a thinning row and a reading row that is not thinned out Differences occur in the degree of deterioration of the driver transistors constituting each of the drive buffers BF1 to BF3 that drive the (vertical selection line 52, transfer wiring 55, and reset wiring 56). Degradation of visible image characteristics occurs.

この対処のためには、たとえば間引き読出しモードによる駆動時に、間引かれる画素行に対しても駆動信号を入力して各画素を動作させ、間引かれる画素と間引かれない画素との駆動頻度の差異をなくし、画素を構成するトランジスタなどの劣化度合いを揃えることで、全画素読出しモード時における画像の筋状ノイズなどの発生を防止する仕組みを採ることが考えられる。   In order to cope with this, for example, when driving in the thinning readout mode, a driving signal is input to the thinned pixel rows to operate each pixel, and the driving frequency between the thinned pixels and the pixels that are not thinned out. It is conceivable to take a mechanism for preventing the occurrence of streak noise of the image in the all-pixel reading mode by eliminating the difference and aligning the degree of deterioration of the transistors constituting the pixels.

<ブルーミング>
また、別の問題点として、間引き読出しモード時はブルーミング現象が起き易い。すなわち、電荷生成部32は、入射した光の総量に応じて光電変換して信号電荷(たとえは電子)を生成し蓄積していくが、蓄積可能な容量には限界があるので、入射光強度が強いときや電荷蓄積時間が長いときには、限界値を超えて光電変換された信号電荷が蓄積領域から溢れ出る。図3に関して説明したように、縦型オーバーフロードレイン構造を採って、溢れた大部分の信号電荷が基板側に流れていくようにデバイスを設計するのであるが、近年の微細化の進展によって、隣接する画素同士の距離が近くなり、その結果、溢れた信号電荷の内、隣接画素に飛び込む割合が増える。
<Blooming>
Another problem is that the blooming phenomenon tends to occur in the thinning readout mode. That is, the charge generation unit 32 generates and accumulates signal charges (for example, electrons) by performing photoelectric conversion according to the total amount of incident light, but there is a limit to the capacity that can be accumulated. When the voltage is strong or the charge accumulation time is long, the signal charge photoelectrically converted exceeding the limit value overflows from the accumulation region. As described with reference to FIG. 3, the vertical overflow drain structure is adopted, and the device is designed so that most of the overflowing signal charge flows to the substrate side. As a result, the distance between the pixels to be processed becomes close, and as a result, the ratio of the overflowing signal charge that jumps into adjacent pixels increases.

たとえば、カラー撮像方式の場合、画素アレイ部10の各単位画素3には、色分離用のたとえばR(赤),G(緑),B(青)のカラーフィルタが所定の配置順で設けられる。G色成分の光が多量に入射し、それに比べて、R色成分の光が少なかったとする。この場合、カメラシステムの絞りを開けるなどして、入射光量を増やしていくと先ず、緑の画素の電荷生成部32が信号電荷で一杯になり飽和状態となるので、そこから溢れた信号電荷は、赤の電荷生成部32にも飛び込むことになる。   For example, in the case of a color imaging system, each unit pixel 3 of the pixel array unit 10 is provided with color filters for color separation, for example, R (red), G (green), and B (blue) in a predetermined arrangement order. . It is assumed that a large amount of light of the G color component is incident and there is less light of the R color component. In this case, when the amount of incident light is increased by opening the diaphragm of the camera system or the like, first, the charge generation unit 32 of the green pixel is filled with the signal charge and becomes saturated. The red charge generation unit 32 also jumps.

一方、実際に読み出す単位画素3では、電荷生成部32から信号電荷を読み出した後、次に信号電荷を読み出すまでにどれだけの光が信号電荷に変換されたかで、その単位画素3の信号レベル(輝度)が決まる。先にも述べたが、CMOSセンサにおける電子シャッタ動作時には、電荷生成部32に対する電荷掃捨て用のリセット処理から、実際に信号電荷を垂直信号線53(垂直信号線19)側に読み出すまでが問題となる。したがって、ブルーミング現象の抑制のためには、このシャッタ動作時のリセット時点から読出しまでの間に、隣接画素から飛び込んでくる信号電荷の量を如何に少なくできるかが肝要となる。   On the other hand, in the unit pixel 3 that is actually read, the signal level of the unit pixel 3 depends on how much light is converted into the signal charge after the signal charge is read from the charge generation unit 32 and before the next signal charge is read. (Luminance) is determined. As described above, during the electronic shutter operation in the CMOS sensor, there is a problem from the charge sweeping reset process to the charge generation unit 32 until the signal charge is actually read out to the vertical signal line 53 (vertical signal line 19) side. It becomes. Therefore, in order to suppress the blooming phenomenon, it is important how much the signal charge jumping from the adjacent pixel can be reduced between the reset time and the readout in the shutter operation.

1/m行間引き読出しモード時には、1行が読出し行となり、その後のm−1行が間引き行となり、これが繰り返されて配されるので、単純な間引き読みにすると、間引き行に対しては、読出選択用トランジスタ34(読出しゲート)は常時オフされているので、1フレーム分だけを撮像する静止画撮像の場合であっても、特に長時間蓄積時には電荷生成部32内に電子が蓄積されてしまい、隣接画素へのブルーミングの要因となってしまう。また、動画撮像であれば、複数フレームに亘って信号電荷の継続的な蓄積があるものの読出しが行なわれないので、そのままでは隣接する読出し行に過剰電荷が溢れ、ブルーミングの問題がほぼ確実に起きる。   In the 1 / m line thinning-out reading mode, one line becomes a reading line, and the subsequent m-1 lines become thinning lines, and this is repeated, so if simple thinning reading is performed, Since the read selection transistor 34 (read gate) is always turned off, electrons are accumulated in the charge generation unit 32 even in the case of still image capturing for capturing only one frame, particularly during long-time storage. As a result, it causes blooming to adjacent pixels. In addition, in the case of moving image capturing, there is continuous accumulation of signal charges over a plurality of frames, but reading is not performed. Therefore, if it is left as it is, excessive charges overflow in adjacent reading rows, and the problem of blooming almost certainly occurs. .

つまり、間引き読出しモード時には、間引き行および読出し行の何れも、各単位画素3の電荷生成部32は光に晒されるため、シャッタ動作を行なわないと、間引き行の電荷生成部32から電荷が隣接する読出し行(の画素)に溢れ出すことによって、読み出す行の画素信号に影響(ブルーミング現象)を及ぼすことが懸念される。   That is, in the thinning-out reading mode, since the charge generation unit 32 of each unit pixel 3 is exposed to light in both the thinning-out and reading rows, the charge is adjacent to the thinning-out charge generation unit 32 unless the shutter operation is performed. It is feared that overflowing the readout row (pixels) to be read affects the pixel signal of the readout row (blooming phenomenon).

この点に鑑みれば、注目している読出対象となる単位画素3に隣接している溢れる可能性のある単位画素3に対して、予め予備的な画素リセット(シャッタ動作)を行ない、注目している単位画素3へ隣接する他の単位画素3から過剰電荷が溢れる影響を最小にすることが好ましと考えられる。間引き読出モード時には、間引く行については、画素信号の読出し動作は行なわないが、シャッタ動作だけは行なうことが、その解決手法として有効であると考えられる。   In view of this point, a preliminary pixel reset (shutter operation) is performed in advance on the unit pixel 3 that is likely to overflow adjacent to the unit pixel 3 to be read, and attention is paid to it. It is considered preferable to minimize the influence of excess charges overflowing from other unit pixels 3 adjacent to a certain unit pixel 3. In the thinning-out reading mode, the pixel signal reading operation is not performed for the thinning-out row, but it is considered effective to perform only the shutter operation.

図7は、本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式に対する第2比較例を示す図である。1/3行間引き読出しモード時を例に、図7は画素アレイ部10の行走査の様子を図5に対応するように、また図8はその動作を説明するタイミングチャートを図6に対応するように示している。   FIG. 7 is a diagram showing a second comparative example with respect to the pixel driving method in the thinning readout mode according to the present embodiment. In the case of the 1/3 row thinning readout mode, FIG. 7 corresponds to FIG. 5 for the state of row scanning of the pixel array unit 10, and FIG. 8 corresponds to FIG. 6 for the timing chart for explaining the operation. As shown.

第2比較例は、前述のブルーミング現象を解消する一手法を例示している。この手法では、間引く行については、画素信号の読出し動作は行なわないが、シャッタ動作だけは行なうようにする。すなわち、読出し行の単位画素3から信号電荷を読み出す前に、隣接する(走査方向の何れか一方側で十分)間引き行に対応したシャッタ行の単位画素3を電子シャッタ機能を使って、予備的な画素リセット動作(ブルーミング対策用のシャッタ)を行なう。走査方向の他方側の間引き行に対応したシャッタ行に関しては、次の読出し行でのブルーミング対策用のシャッタによって過剰電荷の発生を抑制できる。   The second comparative example illustrates one method for eliminating the above-mentioned blooming phenomenon. In this method, the pixel signal readout operation is not performed for the thinned rows, but only the shutter operation is performed. That is, before reading the signal charge from the unit pixel 3 in the readout row, the unit pixel 3 in the shutter row corresponding to the thinning row adjacent (sufficient on either side in the scanning direction) is preliminarily used by using the electronic shutter function. Pixel reset operation (shutter for preventing blooming) is performed. Regarding the shutter row corresponding to the thinning-out row on the other side in the scanning direction, the generation of excess charge can be suppressed by the shutter for preventing blooming in the next readout row.

1/3行間引き読出しモード時の場合、図7に示すように、画素アレイ部10の内、連続する3行中の“3−1=2”行を占める間引き行を除く斜線で示す1行だけが読出し行として順次選択されて読み出しが行なわれて、残りの3行当たり2行は間引き行として選択されないような動作となる。   In the 1 / 3-row thinning-out reading mode, as shown in FIG. 7, one row indicated by diagonal lines excluding the thinning-out row that occupies “3-1 = 2” in 3 consecutive rows in the pixel array section 10. Only the read lines are sequentially selected and read, and the remaining two lines are not selected as thinned lines.

このとき、シャッタ行のその前後行となる間引き行にもシャッタを掛けることで、電荷生成部32で生成された電荷をリセット電源Vrd側に排出して、電荷生成部32内に電荷を飽和させないようにし、隣接画素へのブルーミングを制御する。この間引き行に対してのブルーミング対策用のシャッタを特に補助シャッタと称し、読出し行に対するシャッタを、補助シャッタとの区別のため通常シャッタと称する。   At this time, the shutter is also applied to the thinning-out rows before and after the shutter row, so that the charge generated by the charge generation unit 32 is discharged to the reset power supply Vrd side, and the charge is not saturated in the charge generation unit 32. In this way, blooming to adjacent pixels is controlled. The shutter for preventing blooming for the thinning-out row is particularly called an auxiliary shutter, and the shutter for the reading row is called a normal shutter for distinguishing from the auxiliary shutter.

補助シャッタ動作後には、通常シャッタ動作後と同じように、それ以後の露光に応じた電荷が電荷生成部32に蓄積されるが、垂直選択パルスVSELは常時インアクティブLであり読出し動作行として選択されることがないので、補助シャッタ動作後に蓄積された電荷に応じた画素信号が垂直信号線53(垂直信号線19)に出力されることはない。動画撮像であれば、次のフレーム走査時の補助シャッタ動作によって、それまでに(事実上、1フレーム走査期間)に電荷生成部32に蓄積された電荷がリセット電源Vrd側に掃き捨てられる。   After the auxiliary shutter operation, as in the normal shutter operation, charges corresponding to the subsequent exposure are accumulated in the charge generation unit 32. However, the vertical selection pulse VSEL is always inactive L and is selected as a read operation row. Therefore, the pixel signal corresponding to the electric charge accumulated after the auxiliary shutter operation is not output to the vertical signal line 53 (vertical signal line 19). In the case of moving image capturing, the charge accumulated in the charge generation unit 32 until then (in effect, one frame scanning period) is swept away to the reset power supply Vrd side by the auxiliary shutter operation at the next frame scanning.

ただし、このような方式では、間引き行(非選択行)の補助シャッタ動作用に、新たに垂直走査回路(行選択回路)を一系統追加する必要が生じ、チップサイズにおいて不利な面がある。   However, in such a system, a new vertical scanning circuit (row selection circuit) needs to be added for the auxiliary shutter operation for thinning-out rows (non-selected rows), which is disadvantageous in terms of chip size.

なお、間引く行についてもシャッタ動作を行なう点を考慮すれば、前述の特許文献1で開示されているように、間引き読出しモードによる駆動時に、間引かれる画素行に対しても駆動信号を入力して各画素を動作させることが、ブルーミング現象を解消する手法としても有効であると考えられる。   In consideration of the point that the shutter operation is also performed for the thinned rows, a drive signal is input to the thinned pixel rows when driving in the thinning readout mode as disclosed in Patent Document 1 described above. Therefore, it is considered that operating each pixel is also effective as a technique for eliminating the blooming phenomenon.

また、ブルーミング現象を解消する別手法として、間引き行は常時シャッタし続ける、すなわち、転送パルスTRG および画素リセットパルスRST を常時アクティブHとすることで、読出選択用トランジスタ34およびリセットトランジスタ36を常時オンさせ、間引き行の電荷生成部32で生成される電荷をフローティングディフュージョン38に転送しそのままリセット電源Vrdに捨て続けることも考えられる。   Further, as another method for eliminating the blooming phenomenon, the thinning-out is continuously shuttered, that is, the transfer selection pulse 34 and the reset transistor 36 are always turned on by always setting the transfer pulse TRG and the pixel reset pulse RST to active H. It is also conceivable to transfer the charges generated by the thinning-out charge generation unit 32 to the floating diffusion 38 and continue to discard them as they are to the reset power supply Vrd.

しかしながら、この手法では、間引き行の常時シャッタ動作用に新たに垂直走査回路(行選択回路)を一系統追加する必要が生じチップサイズにおいて不利な面がある。また、読出動作行やシャッタ動作行となる読出し行のみ、単位画素3を構成する各トランジスタ34,36,40がオン/オフ動作し、間引き行に対しては、読出選択用トランジスタ34およびリセットトランジスタ36を常時オン、垂直選択用トランジスタ40を常時オフにしておくので、長時間の使用の後、間引き行と間引かれない読出し行とで、画素の駆動頻度が異なることで画像特性劣化を招くという前述同様の問題が起き、画質において不利な面がある。加えて、常時オンにすることは、トランジスタの絶対的な使用時間が飛躍的に増加することになり、常時オフにしておく場合に比べて、信頼性において不利な面がある。   However, this technique has a disadvantage in terms of chip size because it is necessary to newly add a single vertical scanning circuit (row selection circuit) for the continuous shutter operation of thinning rows. Also, the transistors 34, 36, and 40 constituting the unit pixel 3 are turned on / off only in the readout operation row and the readout operation row, and the readout selection transistor 34 and the reset transistor are used for the thinning-out row. 36 is always on, and the vertical selection transistor 40 is always off. Therefore, after a long period of use, the pixel driving frequency differs between the thinning-out row and the readout row that is not thinned out, resulting in deterioration of image characteristics. The same problem as described above occurs, and there is a disadvantage in image quality. In addition, when the transistor is always turned on, the absolute use time of the transistor is drastically increased, which is disadvantageous in terms of reliability as compared with the case where the transistor is always turned off.

信頼性に関しては、素子分離形成とも関わりを持つ。画素内素子分離の形成方法として、STI(Shallow Trench Isolation)やLOCOS (Local Oxidation of Silicon)など、Si内に絶縁酸化膜を形成する方法やインプラで素子分離を形成する方法が知られている。STIはSiをエッチングして絶縁酸化膜を埋める製造方法であるが、このエッチング時のプラズマダメージにより暗電流が多くなってしまう。LOCOSはSi部のみを酸化炉により選択酸化する方法であるが、ゲート端まで酸化膜が入り込み(ゲートバーズビーク)、寄生容量がついてしまう。また、狭い素子分離を形成するには向いていない技術であり、近年、LOCOSはSTIに置き換えられている。   Regarding reliability, it is also related to element isolation formation. As a method for forming element isolation within a pixel, a method of forming an insulating oxide film in Si, such as STI (Shallow Trench Isolation) or LOCOS (Local Oxidation of Silicon), or a method of forming element isolation by implantation is known. STI is a manufacturing method in which Si is etched to fill an insulating oxide film. However, dark current increases due to plasma damage during etching. LOCOS is a method in which only the Si portion is selectively oxidized by an oxidation furnace. However, an oxide film enters the gate end (gate bird's beak), resulting in parasitic capacitance. Further, this technique is not suitable for forming narrow element isolation, and in recent years, LOCOS has been replaced by STI.

画素アレイ部10は光電変換箇所(本例では電荷生成部32)を含んでいることから、暗電流対策としては、インプラで素子分離を形成することが最も好ましい。しかし、インプラで素子分離を形成する場合、基板とゲート電極を絶縁させるために、素子分離上に絶縁酸化膜が必要である。この、素子分離上絶縁酸化膜の厚さは、ソース・ドレインの拡散インプラの飛程距離で決まり、絶縁酸化膜越しにイオン注入したときに、絶縁酸化膜を突き抜けない、つまりSi内部に影響しない厚さにする必要がある。   Since the pixel array unit 10 includes a photoelectric conversion portion (in this example, the charge generation unit 32), it is most preferable to form element isolation by implantation as a countermeasure against dark current. However, when element isolation is formed by implantation, an insulating oxide film is required on the element isolation in order to insulate the substrate and the gate electrode. The thickness of the insulating oxide film for element isolation is determined by the range of the source / drain diffusion implant, and does not penetrate the insulating oxide film when ion implantation is performed through the insulating oxide film, that is, does not affect the inside of the Si. It needs to be thick.

ところが、素子分離を高濃度インプラで形成すると、リセットトランジスタ36を常時オンにしたのでは、素子分離上の絶縁酸化膜が十分絶縁できていない場合に、素子分離上絶縁酸化膜を通してゲートがオンしてしまうことも考えられ、素子分離部からの暗電流が発生する虞れがあり、信頼性の低下を招く虞れがあるため好ましくない。なお、STIによる素子分離形成であれば拡散素子分離形成に比べて信頼性の問題は少なく、間引き行のリセットトランジスタ36を常時オンとしておいてもよい。   However, when the element isolation is formed by high concentration implantation, if the reset transistor 36 is always turned on, the gate is turned on through the insulating oxide film on the element isolation when the insulating oxide film on the element isolation is not sufficiently insulated. This is not preferable because a dark current may be generated from the element isolation portion and reliability may be lowered. Note that the element isolation formation by STI has less reliability problems than the diffusion element isolation formation, and the thinning-out reset transistor 36 may be always turned on.

<<本実施形態の間引き読出しモード>>
<ブルーミング対策手法>
図9は、本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式に対する第3比較例を示す図である。1/3行間引き読出しモード時を例に、図9は画素アレイ部10の行走査の様子を図5に対応するように、また図10はその動作を説明するタイミングチャートを転送パルスTRG に着目して図6に対応するように示している。
<< Thinning readout mode of this embodiment >>
<Measures against blooming>
FIG. 9 is a diagram illustrating a third comparative example for the pixel driving method in the thinning readout mode according to the present embodiment. In the 1/3 row thinning readout mode as an example, FIG. 9 shows the row scanning state of the pixel array unit 10 corresponding to FIG. 5, and FIG. 10 is a timing chart explaining the operation focusing on the transfer pulse TRG. Thus, it corresponds to FIG.

図9と図5との比較から分かるように、第3比較例の間引き読出しモード時には、第1比較例と同じように、間引き行に対しては、第2比較例で採用しているような補助シャッタは入れない。   As can be seen from the comparison between FIG. 9 and FIG. 5, in the thinning readout mode of the third comparative example, as in the first comparative example, the thinning row is used in the second comparative example. Do not put the auxiliary shutter.

その代わりに、第3比較例のブルーミング対策では、間引き行の読出選択用トランジスタ34に、間引き行での電荷の溢れを自身のフローティングディフュージョン38側に転送可能な電位(以下ブルーミング対策電位と称する)の転送パルスTRG を常時供給することを特徴とする。   Instead, in the countermeasure against blooming of the third comparative example, the potential for transferring the overflow of charge in the thinning-out row to the own floating diffusion 38 side to the reading selection transistor 34 in the thinning-out row (hereinafter referred to as a countermeasure against blooming). The transfer pulse TRG is always supplied.

第3比較例では、ブルーミング対策電位として、LレベルとHレベルとの間の中間レベルの電位(中間電位M)を使用する、あるいは、実質的には電圧を印加しないフローティングにする。フローティングにする場合、中間電位Mを生成する回路が不要になる利点がある。   In the third comparative example, an intermediate level potential (intermediate potential M) between the L level and the H level is used as the blooming countermeasure potential, or a floating state where no voltage is substantially applied is used. When floating, there is an advantage that a circuit for generating the intermediate potential M becomes unnecessary.

間引き読出しモードにおいて、読出選択用トランジスタ34(転送ゲートや読出しゲートとも称される)に関しては、間引き行では読出選択用トランジスタ34のゲート端に掛ける電圧を時刻によらず、2値駆動時のHレベルを規定する高電位HとLレベルを規定する低電位Lとの間の中間電位M(Middle)に固定して読出選択用トランジスタ34を適度な状態で動作するようにする、もしくは読出選択用トランジスタ34のゲート端へは転送パルスTRG を一切供給しないフローティング状態にする。   In the thinning-out reading mode, with respect to the reading selection transistor 34 (also referred to as a transfer gate or a reading gate), the voltage applied to the gate terminal of the reading selection transistor 34 in the thinning-out mode is H The read selection transistor 34 is operated in an appropriate state by fixing it to an intermediate potential M (Middle) between a high potential H defining the level and a low potential L defining the L level, or for reading selection A floating state in which no transfer pulse TRG is supplied to the gate terminal of the transistor 34 is set.

中間電位Mとしては、オーバーフローバリアが半導体基板(下)方向ではなくフローティングディフュージョン(横)方向となる電位を下限とし、暗電流が発生しない電位を上限とする範囲を満足する電位とするのが好ましい。こうすることで、ブルーミング現象を対策したことによる暗電流の影響を抑えつつ間引き読出時のブルーミング現象を抑制することができる。   The intermediate potential M is preferably set to a potential that satisfies the range in which the overflow barrier is not in the semiconductor substrate (downward) direction but in the floating diffusion (lateral) direction, and the upper limit is the potential at which no dark current is generated. . By doing so, it is possible to suppress the blooming phenomenon during thinning-out reading while suppressing the influence of dark current due to the countermeasure against the blooming phenomenon.

読出し行では、読出選択用トランジスタ34をLレベルとHレベルの2値でオン/オフ駆動するようにし、シャッタ動作行および読出し動作行に該当したとき、読出選択用トランジスタ34をオンさせる。   In the readout row, the readout selection transistor 34 is driven to be turned on / off with binary values of L level and H level, and the readout selection transistor 34 is turned on when corresponding to the shutter operation row and the readout operation row.

間引き読出しモード時に、非選択行である間引き行の行アドレスを全選択し、この間引き行の読出しゲート(読出選択用トランジスタ34)に供給する転送パルスTRG をブルーミング対策電位の一例として、中間電位Mに固定するかフローティングにすることにより、間引き行の電荷生成部32(フォトダイオードなど)のオーバーフローバリア(ポテンシャル障壁)を、通常のインアクティブ電位(Lレベル電位)を印加する場合に比べて下げることができる。   In the thinning-out reading mode, all the row addresses of thinning-out rows that are not selected are selected, and the transfer pulse TRG supplied to the reading gate (reading selection transistor 34) of this thinning-out row is taken as an example of an anti-blooming potential. The overflow barrier (potential barrier) of the thinning-out charge generation unit 32 (photodiode, etc.) is lowered as compared with the case where a normal inactive potential (L level potential) is applied. Can do.

これにより、間引き読出モード時に、間引き行の電荷生成部32に溜まり、隣接行(縦方向の隣接画素)に溢れ出た不要電荷をフローティングディフュージョン38側に排出され易い状態にすることができ、隣接する読出し行の単位画素3へのブルーミングが減少する。   Thereby, in the thinning-out reading mode, unnecessary charge that has accumulated in the charge generation unit 32 of the thinning-out row and overflowed to the adjacent row (vertical adjacent pixel) can be easily discharged to the floating diffusion 38 side. Blooming to the unit pixel 3 of the readout row to be reduced is reduced.

画素共有方式を採っていなければ、転送パルスTRG を中間電位Mにした場合には、暗電流は少し多くなるが、間引き読出しモードにおいては、間引き行は読出し行として選択されることがなく、画素信号として垂直信号線53(垂直信号線19)に出力されることはないので問題とならない。そのため、ウェルを通して不要電子が移動することによる縦方向の隣接画素へのブルーミング現象を抑制しつつ、補助シャッタが不要なシンプルな動作モードとすることができる。   If the pixel sharing method is not employed, when the transfer pulse TRG is set to the intermediate potential M, the dark current is slightly increased. However, in the thinning readout mode, the thinning row is not selected as the readout row. This is not a problem because it is not output as a signal to the vertical signal line 53 (vertical signal line 19). Therefore, it is possible to achieve a simple operation mode in which an auxiliary shutter is not required while suppressing a blooming phenomenon to adjacent pixels in the vertical direction due to unnecessary electrons moving through the well.

<画素共有方式時の問題>
図11は、画素アレイ部10が画素共有方式の場合に、図9および図10に示した第3比較例を適用したときの画素信号に生じる問題点を説明する模式図である。ここでは、駆動タイミングと画素信号や参照信号などの様子を図4に対応するように示している。
<Problems with pixel sharing method>
FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a problem that occurs in a pixel signal when the third comparative example shown in FIGS. 9 and 10 is applied when the pixel array unit 10 is a pixel sharing method. Here, driving timings and states of pixel signals, reference signals, and the like are shown corresponding to FIG.

図2Aに示したように、画素アレイ部10として、単位画素3の一部の要素を複数の単位画素3が共有する単位画素群2で構成された画素共有方式とすると、フローティングディフュージョンFDを複数の行で共有することになるため、間引き読出モードにすると、読出し行の画素信号を垂直信号線53(垂直信号線19)へ読み出す際に、図11に示すように、間引き行の電荷生成部32(たとえばHAD構造のフォトダイオードPD)からフローティングディフュージョンFDへ電荷が排出され続けられてしまい、読出し行のP相取得からD相取得間に、特に、D相の信号レベルSsig が変化してしまう。   As shown in FIG. 2A, when the pixel array unit 10 is a pixel sharing system configured by a unit pixel group 2 in which a plurality of unit pixels 3 share some elements of the unit pixel 3, a plurality of floating diffusions FD are provided. In the thinning readout mode, when the pixel signal of the readout row is read out to the vertical signal line 53 (vertical signal line 19), as shown in FIG. 32 (for example, a photodiode PD having a HAD structure) continues to be discharged to the floating diffusion FD, and the signal level Ssig of the D phase changes particularly between the acquisition of the P phase and the D phase of the readout row. .

読出し行の電荷生成部32以外の共有されている他の行(以下、単に共有行と称する)の電荷生成部32で生成される電荷がフローティングディフュージョン38に流れ込み易くなり、たとえば、露光のない黒レベルSsig_BKや十分な露光があった白レベルSsig_WHのレベルは、それぞれ本来の信号レベルSsig_BK,Ssig_WHに共有行の電荷生成部32で生成された不要な電荷に基づく信号成分(不要信号成分Vnoise )を加算した値(Sn_BK =Ssig_BK+Vnoise ,Sn_WH =Ssig_WH+Vnoise )となり、AD変換に伴うCDS処理をしたとしても、AD変換結果として得られるカウント値はDsig_BK,Dsig_WHとはならない。   Charges generated by the charge generation unit 32 in another shared row (hereinafter simply referred to as a shared row) other than the charge generation unit 32 of the readout row can easily flow into the floating diffusion 38, for example, black without exposure. The level Ssig_BK and the level of the white level Ssig_WH that has been sufficiently exposed are signal components (unnecessary signal component Vnoise) based on unnecessary charges generated by the charge generation unit 32 of the shared row in the original signal levels Ssig_BK and Ssig_WH, respectively. The added values (Sn_BK = Ssig_BK + Vnoise, Sn_WH = Ssig_WH + Vnoise), and even if the CDS processing accompanying AD conversion is performed, the count values obtained as the AD conversion results are not Dsig_BK, Dsig_WH.

図からも推測されるように、参照信号Vslopと画素信号レベルとが一致するまでの比較処理をしている期間にはフローティングディフュージョン38の電位が下がり続けることで黒レベルおよび白レベルの何れにおいても信号レベルが変化するのであるが、画素信号レベルが大きい白レベルほど比較処理時間が長くなるので、AD変換結果としては、AD変換に伴うCDS処理でキャンセルできない不要信号成分Vnoise は、白レベルの方が大きくなる。   As can be inferred from the figure, the potential of the floating diffusion 38 continues to decrease during the comparison process until the reference signal Vslop and the pixel signal level coincide with each other, so that both the black level and the white level are maintained. Although the signal level changes, since the comparison processing time becomes longer as the white level of the pixel signal is higher, the unnecessary signal component Vnoise that cannot be canceled by the CDS process accompanying AD conversion is the white level. Becomes larger.

<画素共有方式に対応したブルーミング対策手法>
図12〜図14は、画素共有方式に対応した本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式を説明する図である。図2Aに示したように単位画素群2が縦4画素共有の場合において、1/3行間引き読出しモード時を例に、図12は画素アレイ部10の行走査の様子を図5や図9に対応するように、また図13はその動作を説明するタイミングチャートを転送パルスTRG に着目して図6や図10に対応するように示している。
<Anti-blooming technique for pixel sharing method>
12 to 14 are diagrams for explaining a pixel driving method in the thinning readout mode according to the present embodiment corresponding to the pixel sharing method. As shown in FIG. 2A, when the unit pixel group 2 shares four vertical pixels, FIG. 12 shows the state of row scanning of the pixel array unit 10 in FIG. 5 and FIG. FIG. 13 shows a timing chart for explaining the operation, focusing on the transfer pulse TRG, so as to correspond to FIG. 6 and FIG.

図14は、画素アレイ部10が画素共有方式の場合に、図12および図13に示した本実施形態の駆動方式を適用したときの効果を説明する模式図である。図14では、駆動タイミングと画素信号や参照信号などの様子を図11に対応するように示している。   FIG. 14 is a schematic diagram for explaining the effect when the driving method of the present embodiment shown in FIGS. 12 and 13 is applied when the pixel array unit 10 is a pixel sharing method. In FIG. 14, the driving timing and the state of the pixel signal and the reference signal are shown so as to correspond to FIG.

図12と図9との比較から分かるように、本実施形態の間引き読出しモード時には、第1比較例や第3比較例と同じように、間引き行に対しては、第2比較例で採用しているような補助シャッタは入れない。   As can be seen from the comparison between FIG. 12 and FIG. 9, in the thinning-out reading mode of the present embodiment, as in the first comparative example and the third comparative example, the thinning-out is adopted in the second comparative example. Do not put the auxiliary shutter that is.

その代わりに、本実施形態のブルーミング対策では、間引き行が読出し動作行と共有しているものであるか否かに応じて、転送パルスTRG を、中間レベルの電位とするか、中間レベルよりもさらにインアクティブ側の電位とするかを切り替えることを特徴とする。つまり、画素共有行内に読出し動作行が含まれるか否かに応じて、読出し行が読出動作行に該当するときには、間引き行の読出選択用トランジスタ34に中間レベルの転送パルスTRG を供給するか、転送パルスTRG を中間レベルよりもさらにインアクティブ側の電位に切り替える。   Instead, in the blooming countermeasure of the present embodiment, the transfer pulse TRG is set to an intermediate level potential or less than the intermediate level depending on whether or not the thinning row is shared with the read operation row. Further, it is characterized in that the potential on the inactive side is switched. That is, depending on whether or not a read operation row is included in the pixel sharing row, when the read row corresponds to the read operation row, an intermediate level transfer pulse TRG is supplied to the read selection transistor 34 in the thinning row, or The transfer pulse TRG is switched to a potential on the inactive side further than the intermediate level.

ここで、中間レベルよりもさらにインアクティブ側の電位は、通常の2値駆動におけるHレベル(アクティブ側)とLレベル(インアクティブ側)とを除く範囲の中間レベルに対して、さらにインアクティブ側の電位であればどのような値であってもよく、一例としては、Lレベルを規定する電位と同じであってもよい。中間レベルとLレベル(インアクティブ側)との間の第4の電位を使用してもよいが、その場合、その第4の電位を発生する回路の対処が別途必要となるので、インアクティブ側の電位そのものを使用する方が回路構成をコンパクトにできる利点がある。以下の説明においては、中間レベルよりもさらにインアクティブ側の電位として、Lレベルの電位を設定するものとして説明する。   Here, the potential on the inactive side further than the intermediate level is higher than the intermediate level in the range excluding the H level (active side) and L level (inactive side) in normal binary driving. Any potential may be used, and as an example, it may be the same as the potential defining the L level. A fourth potential between the intermediate level and the L level (inactive side) may be used, but in that case, it is necessary to deal with a circuit that generates the fourth potential separately. There is an advantage that the circuit configuration can be made compact by using the potential itself. In the following description, it is assumed that an L level potential is set as a potential on the inactive side further than the intermediate level.

具体的には、間引き読出しモードにおいて、読出選択用トランジスタ34(転送ゲートや読出しゲートとも称される)に関しては、読出し行では、読出選択用トランジスタ34をLレベルとHレベルの2値でオン/オフ駆動するようにし、シャッタ動作行および読出し動作行に該当したとき、読出選択用トランジスタ34をオンさせる。   Specifically, in the thinning-out read mode, with respect to the read selection transistor 34 (also referred to as a transfer gate or a read gate), in the read row, the read selection transistor 34 is turned on / off in binary of L level and H level. The readout selection transistor 34 is turned on when it is driven off and corresponds to the shutter operation row and the readout operation row.

また、間引き行では、先ず、読出動作行と共有していないときには、読出選択用トランジスタ34のゲート端に掛ける電圧(転送パルスTRG )を、2値駆動時のHレベルを規定する高電位HとLレベルを規定する低電位Lとの間の中間電位M(Middle)にして、読出選択用トランジスタ34を適度な状態で動作するようにしておく。一方、読出動作行と共有しているときには、読出選択用トランジスタ34のゲート端に掛ける電圧(転送パルスTRG )をLレベルを規定する低電位Lにして、読出選択用トランジスタ34を完全にオフさせておく。   In the thinning-out row, first, when not sharing with the read operation row, the voltage (transfer pulse TRG) applied to the gate end of the read selection transistor 34 is set to the high potential H that defines the H level in binary driving. The read selection transistor 34 is operated in an appropriate state by setting it to an intermediate potential M (Middle) between the low potential L that defines the L level. On the other hand, when the read operation row is shared, the voltage (transfer pulse TRG) applied to the gate terminal of the read selection transistor 34 is set to a low potential L that defines the L level, thereby completely turning off the read selection transistor 34. Keep it.

なお、間引き行の読出選択用トランジスタ34に掛ける電圧を中間電位MからLレベルを規定する低電位Lに落とすタイミングは、たとえば画素共有している行の内の、最初の1行目(=最初に読み出す行)の画素リセットパルスRST がアクティブレベルとなる前、つまり、フローティングディフュージョン38の電位を空にする前が好ましい。   Note that the timing at which the voltage applied to the read selection transistor 34 in the thinning-out row is dropped from the intermediate potential M to the low potential L that defines the L level is, for example, the first row (= first of the rows sharing the pixels). It is preferable that the pixel reset pulse RST of the row to be read) is set to the active level, that is, before the potential of the floating diffusion 38 is emptied.

一例としては、最初に読み出す行(本例では9行目)に対する垂直選択パルスVSELがアクティブHとなるタイミングからその行の画素リセットパルスRST がアクティブHとなるまでの期間にすればよい。一方、Lレベルを規定する低電位Lから中間電位Mに上げるタイミングは、画素共有している行の4行目(=最後に読み出す行)のD相処理の確定後、つまり信号レベルSsig のAD変換データが確定した後が好ましい。一例としては、最後に読み出す行(本例では12行目)についてのAD変換処理完了後(本例では概ね参照信号Vslopと画素信号レベルとが一致したとき)からその行に対する垂直選択パルスVSELがインアクティブLとなるタイミングまでの期間にすればよい。   As an example, a period from the timing when the vertical selection pulse VSEL for the first read row (the ninth row in this example) becomes active H to the time when the pixel reset pulse RST in that row becomes active H may be used. On the other hand, the timing at which the L level is increased from the low potential L to the intermediate potential M is determined after the D-phase processing in the fourth row (= the last row to be read) of the pixels sharing, that is, the signal level Ssig AD It is preferable after the conversion data is determined. As an example, the vertical selection pulse VSEL for the row to be read after the AD conversion processing for the last row to be read (the 12th row in this example) is almost the same as the reference signal Vslop and the pixel signal level in this example. What is necessary is just to be a period until the timing which becomes inactive L.

たとえば、図12では、縦4画素共有の場合で1/3間引き読出しの場合に、縦4行の内の1行目と4行目の画素信号を垂直信号線53(垂直信号線19)に読み出す場合において、特に、9行目を読出し動作行とした場合を例示している。また、図13では、図12と同じ間引き条件の元で、9行目と12行目の各読出し動作行の近傍に着目して示している。   For example, in FIG. 12, in the case of 1/4 thinning readout in the case of 4 vertical pixel sharing, the pixel signals of the first row and the fourth row of the vertical 4 rows are sent to the vertical signal line 53 (vertical signal line 19). In the case of reading, in particular, the case where the ninth row is the read operation row is illustrated. In FIG. 13, attention is paid to the vicinity of the 9th and 12th read operation rows under the same thinning conditions as in FIG.

この場合、図13に示すように、9行目の読出し動作時には10,11(,12)行目が共有画素となり、12行目の読出し動作時には(9,)10,11行目が共有画素となる。そこで、間引き行となる10,11行目に関しては、最初に共有対象となる9行目において画素リセットパルスRST を立ち下げる前に転送パルスTRG を中間電位Mから低電位Lに切り替えておき(Ts)、その後、12行目の読出しが完了するまでは転送パルスTRG を低電位Lに保持しておき、最後の12行目のD相処理によりAD変換データが確定してから、転送パルスTRG を低電位Lから中間電位Mに切り替える(Te)。   In this case, as shown in FIG. 13, the 10th, 11th, and 12th rows are shared pixels in the 9th row read operation, and the 9th, 10th, and 11th rows are shared pixels in the 12th row read operation. It becomes. Therefore, for the 10th and 11th rows that are thinned out, the transfer pulse TRG is switched from the intermediate potential M to the low potential L before the pixel reset pulse RST is lowered in the 9th row to be shared first (Ts Thereafter, the transfer pulse TRG is held at the low potential L until the reading of the 12th row is completed, and after the AD conversion data is determined by the D-phase processing of the last 12th row, the transfer pulse TRG is changed. Switching from the low potential L to the intermediate potential M (Te).

このように、画素共有行内に読出し動作行が含まれるときは、間引き行の読出選択用トランジスタ34(転送ゲート)に供給される転送パルスTRG をブルーミング対策電位(中間電位Mやフローティング状態)から低電位Lに切り替え、間引き行からフローティングディフュージョン38への信号をカットすることで、画素共有時において間引き読出モードとしたときの前述の問題を回避できる。   As described above, when a read operation row is included in the pixel sharing row, the transfer pulse TRG supplied to the read selection transistor 34 (transfer gate) in the thinning row is lowered from the blooming countermeasure potential (the intermediate potential M or the floating state). By switching to the potential L and cutting the signal from the thinning-out row to the floating diffusion 38, the above-described problem when the thinning-out reading mode is set at the time of pixel sharing can be avoided.

図14に示すように、複数の単位画素3が一部の要素を共有する画素共有構造の単位画素群2に対して、間引き行の転送パルスTRG を常時ブルーミング対策電位にする第3比較例を適用した場合に問題となる、間引き行の電荷生成部32から読出し動作行のフローティングディフュージョン38への信号の漏れ込みによる信号レベルの変動は、間引き行が読出し動作行と共有関係にあるときにはブルーミング対策電位にせずそれよりもインアクティブ側の電位にすることで解消できる。   As shown in FIG. 14, a third comparative example in which the thinning-out transfer pulse TRG is always set to a blooming countermeasure potential with respect to the unit pixel group 2 having a pixel sharing structure in which a plurality of unit pixels 3 share some elements. A signal level fluctuation caused by leakage of a signal from the charge generation unit 32 of the thinning row to the floating diffusion 38 of the reading operation row, which becomes a problem when applied, is a countermeasure against blooming when the thinning row is shared with the reading operation row. This can be resolved by setting the potential on the inactive side rather than the potential.

なお、間引き行に対する転送パルスTRG をブルーミング対策電位(中間電位やフローティング状態)に設定したまま、シャッタを掛けずにおく、つまり画素リセットパルスRST を常時Lレベルにしておくと、その内にフローティングディフュージョン38が不要電荷で一杯になり、フローティングディフュージョン38でのオーバーフロー現象が生じることが懸念される。特に、動画撮像時には、複数フレームに亘って撮像動作が行なわれるので、この現象が起き易くなる。   Note that if the transfer pulse TRG for thinning-out is set to a blooming countermeasure potential (intermediate potential or floating state) and the shutter is not applied, that is, if the pixel reset pulse RST is always set to L level, the floating diffusion will be included in it. There is a concern that 38 may be filled with unnecessary charges, and an overflow phenomenon may occur in the floating diffusion 38. In particular, at the time of moving image capturing, since the image capturing operation is performed over a plurality of frames, this phenomenon is likely to occur.

その対策としては、たとえば、適当なタイミングで(たとえば数フレームごとのVランキング期間で)、画素リセットパルスRST をアクティブHにして、そのフローティングディフュージョン38に溜まった不要電荷をリセット電源Vrd側に掃き捨てることが考えられる。第2比較例の補助シャッタでは、間引き行のアドレス設定用などのために別途垂直走査回路を必要とするが、本例では、通常の読出し動作におけるシャッタ動作のように読出動作行との連動処理が不要であり、シャッタ動作行や読出動作行の制御に影響のない適当なタイミングで行なえばよい。空き時間で垂直走査回路14を使用できるので、特別な垂直走査回路を別に用意しなくてもよい。たとえば数フレームごとのVランキング期間などの適当なタイミングで全ての間引き行に対して画素リセットパルスRST をオンさせればよい。   As a countermeasure, for example, at an appropriate timing (for example, in a V ranking period every several frames), the pixel reset pulse RST is made active H, and unnecessary charges accumulated in the floating diffusion 38 are swept away to the reset power supply Vrd side. It is possible. In the auxiliary shutter of the second comparative example, a separate vertical scanning circuit is required for setting the address of the thinning row. In this example, the interlocking process with the read operation row is performed like the shutter operation in the normal read operation. Is not necessary and may be performed at an appropriate timing that does not affect the control of the shutter operation row and the readout operation row. Since the vertical scanning circuit 14 can be used in the idle time, it is not necessary to prepare a special vertical scanning circuit. For example, the pixel reset pulse RST may be turned on for all thinning rows at an appropriate timing such as a V ranking period every several frames.

あるいは、先にも述べたが、リセットトランジスタ36としてディプレッション構造のものを使用すると、リセットトランジスタ36がオフ状態(非選択時)においてもリーク電流が流れ得るので、その特質を利用して、フローティングディフュージョン38がオーバーフローする前に、自然と、フローティングディフュージョン38に溜まった不要電荷をリセット電源Vrdに掃き捨てることができる。   Alternatively, as described above, if a depletion structure is used as the reset transistor 36, a leakage current can flow even when the reset transistor 36 is in an off state (when not selected). Naturally, the unnecessary charge accumulated in the floating diffusion 38 can be swept away to the reset power supply Vrd before the overflow of 38 occurs.

ディプレッション構造のリセットトランジスタ36の特質を利用して不要電荷をリセット電源Vrd側へ排出する場合、中間電位がHレベルを規定する電位に近いと、不要電荷量の増加が早くなり、リセットトランジスタ36による不要電荷の排出機能が間に合わずフローティングディフュージョン38をオーバーフローさせてしまうことも懸念されるので、確実に、フローティングディフュージョン38をオーバーフローさせずに不要電荷をリセット電源Vrd側へ排出するには、中間電位はHレベルを規定する電位よりもある程度低いことが望ましい。この点をも考慮した中間電位の規定手法については、後で詳しく説明する。   When unnecessary charges are discharged to the reset power supply Vrd side using the characteristics of the reset transistor 36 having a depletion structure, if the intermediate potential is close to the potential that defines the H level, the amount of unnecessary charges increases rapidly. Since there is a concern that the discharge function of the unnecessary charge is not in time and the floating diffusion 38 is overflowed, in order to reliably discharge the unnecessary charge to the reset power supply Vrd without overflowing the floating diffusion 38, the intermediate potential is It is desirable that it is somewhat lower than the potential that defines the H level. A method for defining the intermediate potential in consideration of this point will be described in detail later.

<3値駆動回路の構成例>
図15は、間引き読出しモード時に間引き行の転送パルスTRG を3値駆動可能にするための転送駆動バッファBF1の構成例を示す図である。参考のため、それぞれ通常の2値駆動に対応した画素リセットパルスRST 用のリセット駆動バッファBF2および垂直選択パルスVSEL用の選択駆動バッファBF3についても示している。図16は、図15に示す転送駆動バッファBF1の動作を説明する真理値表を示している。
<Configuration example of ternary drive circuit>
FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of the transfer drive buffer BF1 for enabling ternary driving of the thinning-out transfer pulse TRG in the thinning-out reading mode. For reference, a reset driving buffer BF2 for pixel reset pulse RST and a selective driving buffer BF3 for vertical selection pulse VSEL corresponding to normal binary driving are also shown. FIG. 16 shows a truth table for explaining the operation of the transfer drive buffer BF1 shown in FIG.

図示を割愛するが、各駆動バッファBF1,BF2,BF3には、固体撮像装置1の外部に設けられ、その出力インピーダンスが十分に小さな電源回路から、正電圧側の第1電位Vcc_Hと、中間電位としての第2電位Vcc_Mと、負電圧側の第3電位Vcc_Lと言った3種類の電圧と、基準の接地電位GND が供給されるようになっている。通常、第1電位Vcc_Hは単位画素3側の電源電位Vrd,Vdd(たとえば3V程度)と等しくし、また第3電位Vcc_Lは基準電位Vss(たとえば−1V程度)と等しくする。   Although not shown, each of the drive buffers BF1, BF2, and BF3 is provided outside the solid-state imaging device 1 and has a first potential Vcc_H on the positive voltage side and an intermediate potential from a power supply circuit having a sufficiently small output impedance. The third potential Vcc_M and the third potential Vcc_L on the negative voltage side and the reference ground potential GND are supplied. Usually, the first potential Vcc_H is equal to the power supply potentials Vrd and Vdd (for example, about 3V) on the unit pixel 3 side, and the third potential Vcc_L is equal to the reference potential Vss (for example, about −1V).

2値出力との関係においては、第1電位Vcc_HがHレベルに、接地電位GND がLレベルに対応する。また、3値出力との関係においては、第1電位Vcc_HがHレベルに、第2電位Vcc_Mが中間レベルに、第3電位Vcc_LがLレベルに対応する。   In relation to the binary output, the first potential Vcc_H corresponds to the H level, and the ground potential GND corresponds to the L level. In relation to the ternary output, the first potential Vcc_H corresponds to the H level, the second potential Vcc_M corresponds to the intermediate level, and the third potential Vcc_L corresponds to the L level.

先ず、リセット駆動バッファBF2および選択駆動バッファBF3について説明する。   First, the reset drive buffer BF2 and the selection drive buffer BF3 will be described.

図15に示すように、リセット駆動バッファBF2は、垂直デコーダ14aで生成されるリセット信号φRST を論理反転するインバータ330と出力バッファ348とを有する。   As shown in FIG. 15, the reset drive buffer BF2 has an inverter 330 and an output buffer 348 that logically inverts the reset signal φRST generated by the vertical decoder 14a.

出力バッファ348には、Hレベルを規定する第1電位Vcc_Hと、Lレベルを規定する接地電位GND が供給される。出力バッファ348は、一例として、pチャネル型のトランジスタ(p型トランジスタ)348Hと、nチャネル型のトランジスタ(n型トランジスタ)348Lとを、第1電位Vcc_Hと接地電位GND との間に直列に配置した構成となっている。   The output buffer 348 is supplied with a first potential Vcc_H that defines the H level and a ground potential GND that defines the L level. For example, the output buffer 348 includes a p-channel transistor (p-type transistor) 348H and an n-channel transistor (n-type transistor) 348L arranged in series between the first potential Vcc_H and the ground potential GND. It has become the composition.

p型トランジスタ348Hのソースは第1電位Vcc_Hに接続され、n型トランジスタ348Lのソースは接地電位GND に接続されている。p型トランジスタ348Hとn型トランジスタ348Lの各ドレインを共通に接続し、その接続点を画素リセットパルスRST 用の出力端に接続している。p型トランジスタ348Hとn型トランジスタ348Lの各ゲートを共通に接続し、その接続点にインバータ330の出力(リセット信号φNRST)を供給する。全体としては、p型トランジスタ348Hとn型トランジスタ348Lとは、垂直デコーダ14aから供給される2値のリセット信号φRST に基づき、第1電位Vcc_Hと接地電位GND との間で2値駆動用の画素リセットパルスRST を出力するCMOSインバータバッファとして構成されている。   The source of the p-type transistor 348H is connected to the first potential Vcc_H, and the source of the n-type transistor 348L is connected to the ground potential GND. The drains of the p-type transistor 348H and the n-type transistor 348L are connected in common, and the connection point is connected to the output terminal for the pixel reset pulse RST. The gates of the p-type transistor 348H and the n-type transistor 348L are connected in common, and the output of the inverter 330 (reset signal φNRST) is supplied to the connection point. As a whole, the p-type transistor 348H and the n-type transistor 348L are pixels for binary driving between the first potential Vcc_H and the ground potential GND based on the binary reset signal φRST supplied from the vertical decoder 14a. The CMOS inverter buffer is configured to output a reset pulse RST.

たとえば、垂直デコーダ14aから供給されるリセット信号φRST がインアクティブLのときには、n型トランジスタ348Lがオン(ON)するとともに、p型トランジスタ348Hがオフ(OFF)するので、画素リセットパルスRST は接地電位GND に対応したLレベルとなる。また、垂直デコーダ14aから供給されるリセット信号φRST がアクティブHのときには、p型トランジスタ348Hがオン(ON)するとともに、n型トランジスタ348Lがオフ(OFF)するので、画素リセットパルスRST は第1電位Vcc_Hに対応したHレベルとなる。   For example, when the reset signal φRST supplied from the vertical decoder 14a is inactive L, the n-type transistor 348L is turned on (ON) and the p-type transistor 348H is turned off (OFF). L level corresponding to GND. Further, when the reset signal φRST supplied from the vertical decoder 14a is active H, the p-type transistor 348H is turned on (ON) and the n-type transistor 348L is turned off (OFF), so that the pixel reset pulse RST has the first potential. It becomes H level corresponding to Vcc_H.

選択駆動バッファBF3は、リセット駆動バッファBF2と同じように、垂直デコーダ14aで生成される垂直選択信号φVSELを論理反転するインバータ350と出力バッファ368とを有する。   Similar to the reset drive buffer BF2, the selection drive buffer BF3 includes an inverter 350 and an output buffer 368 that logically inverts the vertical selection signal φVSEL generated by the vertical decoder 14a.

出力バッファ368には、Hレベルを規定する第1電位Vcc_Hと、Lレベルを規定する接地電位GND が供給される。出力バッファ368は、一例として、pチャネル型のトランジスタ(p型トランジスタ)368Hと、nチャネル型のトランジスタ(n型トランジスタ)368Lとを、第1電位Vcc_Hと接地電位GND との間に直列に配置した構成となっている。   The output buffer 368 is supplied with a first potential Vcc_H that defines the H level and a ground potential GND that defines the L level. For example, the output buffer 368 includes a p-channel transistor (p-type transistor) 368H and an n-channel transistor (n-type transistor) 368L arranged in series between the first potential Vcc_H and the ground potential GND. It has become the composition.

p型トランジスタ368Hのソースは第1電位Vcc_Hに接続され、n型トランジスタ368Lのソースは接地電位GND に接続されている。p型トランジスタ368Hとn型トランジスタ368Lの各ドレインを共通に接続し、その接続点を垂直選択パルスVSEL用の出力端に接続している。p型トランジスタ368Hとn型トランジスタ368Lの各ゲートを共通に接続し、その接続点にインバータ350の出力(垂直選択信号φNVSEL )を供給する。全体としては、p型トランジスタ368Hとn型トランジスタ368Lとは、垂直デコーダ14aから供給される2値の垂直選択信号φVSELに基づき、第1電位Vcc_Hと接地電位GND との間で2値駆動用の垂直選択パルスVSELを出力するCMOSインバータバッファとして構成されている。   The source of the p-type transistor 368H is connected to the first potential Vcc_H, and the source of the n-type transistor 368L is connected to the ground potential GND. The drains of the p-type transistor 368H and the n-type transistor 368L are connected in common, and the connection point is connected to the output terminal for the vertical selection pulse VSEL. The gates of the p-type transistor 368H and the n-type transistor 368L are connected in common, and the output of the inverter 350 (vertical selection signal φNVSEL) is supplied to the connection point. As a whole, the p-type transistor 368H and the n-type transistor 368L are for binary driving between the first potential Vcc_H and the ground potential GND based on the binary vertical selection signal φVSEL supplied from the vertical decoder 14a. The CMOS inverter buffer is configured to output a vertical selection pulse VSEL.

たとえば、垂直デコーダ14aから供給される垂直選択信号φVSELがインアクティブLのときには、n型トランジスタ368Lがオン(ON)するとともに、p型トランジスタ368Hがオフ(OFF)するので、垂直選択パルスVSELは接地電位GND に対応したLレベルとなる。また、垂直デコーダ14aから供給される垂直選択信号φVSELがアクティブHのときには、p型トランジスタ368Hがオン(ON)するとともに、n型トランジスタ368Lがオフ(OFF)するので、垂直選択パルスVSELは第1電位Vcc_Hに対応したHレベルとなる。   For example, when the vertical selection signal φVSEL supplied from the vertical decoder 14a is inactive L, the n-type transistor 368L is turned on (ON) and the p-type transistor 368H is turned off (OFF), so that the vertical selection pulse VSEL is grounded. L level corresponding to the potential GND. When the vertical selection signal φVSEL supplied from the vertical decoder 14a is active H, the p-type transistor 368H is turned on (ON) and the n-type transistor 368L is turned off (OFF). It becomes an H level corresponding to the potential Vcc_H.

一方、転送駆動バッファBF1に関しては、垂直デコーダ14aから供給される2値の転送信号φTRG および中間電位設定信号G1に基づいて、3値駆動用の転送パルスTRG を生成可能に構成されている。   On the other hand, the transfer drive buffer BF1 is configured to be able to generate a transfer pulse TRG for ternary driving based on the binary transfer signal φTRG and the intermediate potential setting signal G1 supplied from the vertical decoder 14a.

すなわち、間引き読出しモード時に、間引き行に対しての転送パルスTRG を常時中間電位に設定するためには、図1に示した固体撮像装置1の構成において、垂直走査回路14の垂直駆動部14bに3種類の電圧が供給されている状態で、通信・タイミング制御部20からの指示に基づき垂直デコーダ14aで間引き行のアドレスを決定し、この間引き行の読出選択用トランジスタ34には中間電位を常時印加すればよい。一方、読出し行の読出選択用トランジスタ34には、2値(HレベルとLレベル)の転送パルスTRG を供給することとし、シャッタ動作行と読出し動作行に該当した時点の1水平期間(1H)の所定タイミングにおいて読出選択用トランジスタ34をオンさせればよい。   That is, in the thinning readout mode, in order to always set the transfer pulse TRG for the thinning row to the intermediate potential, the vertical drive unit 14b of the vertical scanning circuit 14 in the configuration of the solid-state imaging device 1 shown in FIG. In the state where three types of voltages are supplied, the vertical decoder 14a determines the address of the thinning row based on an instruction from the communication / timing control unit 20, and the intermediate potential is always applied to the read selection transistor 34 of this thinning row. What is necessary is just to apply. On the other hand, a binary (H level and L level) transfer pulse TRG is supplied to the readout selection transistor 34 in the readout row, and one horizontal period (1H) at the time corresponding to the shutter operation row and the readout operation row. The read selection transistor 34 may be turned on at a predetermined timing.

図15に示すように、本実施形態の転送駆動バッファBF1は、垂直デコーダ14aで生成される転送信号φTRG を論理反転するインバータ310と、インバータ310の出力(転送信号φNTRG)を論理反転するインバータ312と、2入力型のANDゲート316,318とを有する。   As shown in FIG. 15, the transfer drive buffer BF1 of this embodiment includes an inverter 310 that logically inverts the transfer signal φTRG generated by the vertical decoder 14a, and an inverter 312 that logically inverts the output of the inverter 310 (transfer signal φNTRG). And two-input type AND gates 316 and 318.

ANDゲート316は、それぞれ3値制御信号Gの一例である、中間電位設定信号G1と間引き行が読出し動作行と共有関係にある旨を示す制御信号(図では「共有ありG2」で示す)との論理積をとる。ANDゲート318は、それぞれ3値制御信号Gの一例である、中間電位設定信号G1と間引き行が読出し動作行と共有関係にない旨を示す制御信号(図では「共有なしG3」で示す)との論理積をとる。中間電位設定信号G1は、中間電位設定時にのみアクティブHとなる論理情報である。   Each of the AND gates 316 is an example of a ternary control signal G, and a control signal (indicated by “G2 with sharing” in the figure) indicating that the intermediate potential setting signal G1 and the thinning-out row share a read operation row. The logical product of Each of the AND gates 318 is an example of a ternary control signal G, and a control signal (indicated by “no sharing G3” in the figure) indicating that the intermediate potential setting signal G1 and the thinning-out row are not in a shared relationship with the read operation row. The logical product of The intermediate potential setting signal G1 is logic information that becomes active H only when the intermediate potential is set.

また、転送駆動バッファBF1は、2入力型のANDゲート320,322と、2入力型のORゲート324,326とを有する。ANDゲート320は、第1入力端にインバータ312の出力(転送信号φTRG )が入力され、第2入力端には、3値制御信号Gの一例である中間電位設定信号G1が入力される。ANDゲート322は、ANDゲート320の論理積出力とANDゲート318の論理積出力との論理積をとり転送信号φMTRGとする。ORゲート324は、インバータ310の出力(転送信号φNTRG)とANDゲート316の論理積出力との論理和をとり転送信号φTRG とする。ORゲート326は、インバータ310の出力(転送信号φNTRG)とANDゲート320の論理積出力との論理和をとり転送信号φNTRGとする。   The transfer drive buffer BF1 includes two-input type AND gates 320 and 322 and two-input type OR gates 324 and 326. In the AND gate 320, the output of the inverter 312 (transfer signal φTRG) is input to the first input terminal, and the intermediate potential setting signal G1 which is an example of the ternary control signal G is input to the second input terminal. The AND gate 322 takes the logical product of the logical product output of the AND gate 320 and the logical product output of the AND gate 318 and sets it as a transfer signal φMTRG. The OR gate 324 takes the logical sum of the output of the inverter 310 (transfer signal φNTRG) and the logical product output of the AND gate 316 to obtain a transfer signal φTRG. The OR gate 326 takes the logical sum of the output of the inverter 310 (transfer signal φNTRG) and the logical product output of the AND gate 320 as a transfer signal φNTRG.

なお、ANDゲート318は、ANDゲート316との対称性のために設けているが、実際には、中間電位設定信号G1に対してANDゲート320が機能するので取り外して、「共有なしG3」を直接にANDゲート322の配線Y1に供給するようにしてもよい。また、「共有なしG3」は事実上「共有ありG2」の論理反転したものと考えればよく、ANDゲート318に代えて「共有ありG2」またはANDゲート316の出力を論理反転するインバータを設けてその出力を代用するようにしてもよい。   Note that the AND gate 318 is provided for symmetry with the AND gate 316, but in reality, the AND gate 320 functions with respect to the intermediate potential setting signal G1, so that the AND gate 318 is removed, and “unshared G3” is set. It may be supplied directly to the wiring Y1 of the AND gate 322. In addition, it can be considered that “G3 without sharing” is effectively a logical inversion of “G2 with sharing”. Instead of the AND gate 318, an inverter that logically inverts the output of “G2 with sharing” or the AND gate 316 is provided. You may make it substitute the output.

転送駆動バッファBF1は、さらに、3値出力の対応をとるべく、インバータ構成と類似した出力バッファ328を有する。出力バッファ328は、正電圧側の第1電位Vcc_Hと、中間電位としての第2電位Vcc_Mと、負電圧側の第3電位Vcc_Lと言った3種類の電圧が供給される。   The transfer drive buffer BF1 further includes an output buffer 328 similar to the inverter configuration so as to correspond to ternary output. The output buffer 328 is supplied with three types of voltages: a first potential Vcc_H on the positive voltage side, a second potential Vcc_M as an intermediate potential, and a third potential Vcc_L on the negative voltage side.

出力バッファ328は、一例として、先ず、pチャネル型のトランジスタ(p型トランジスタ)328Hと、並列配置された2つのnチャネル型のトランジスタ(n型トランジスタ)328M,328Lとを直列に配置した構成となっている。   As an example, the output buffer 328 has a configuration in which a p-channel transistor (p-type transistor) 328H and two n-channel transistors (n-type transistors) 328M and 328L arranged in parallel are arranged in series. It has become.

p型トランジスタ328Hのソースは第1電位Vcc_Hに接続され、n型トランジスタ328Mのソースは第2電位Vcc_M(たとえば接地電位GND )に接続され、n型トランジスタ328Lのソースは第3電位Vcc_Lに接続されている。p型トランジスタ328Hとn型トランジスタ328Mとn型トランジスタ328Lの各ドレインを共通に接続し、その接続点を転送パルスTRG 用の出力端に接続している。   The source of the p-type transistor 328H is connected to the first potential Vcc_H, the source of the n-type transistor 328M is connected to the second potential Vcc_M (for example, the ground potential GND), and the source of the n-type transistor 328L is connected to the third potential Vcc_L. ing. The drains of the p-type transistor 328H, the n-type transistor 328M, and the n-type transistor 328L are connected in common, and the connection point is connected to the output terminal for the transfer pulse TRG.

p型トランジスタ328HのゲートにはORゲート326からの転送信号φNTRGが入力され、n型トランジスタ328MのゲートにはANDゲート322からの転送信号φMTRGが入力され、n型トランジスタ328LのゲートにはORゲート324からの転送信号φTRG が入力されている。   The transfer signal φNTRG from the OR gate 326 is input to the gate of the p-type transistor 328H, the transfer signal φMTRG from the AND gate 322 is input to the gate of the n-type transistor 328M, and the OR gate is input to the gate of the n-type transistor 328L. The transfer signal φTRG from 324 is input.

全体としては、p型トランジスタ328Hとn型トランジスタ328Lとは、垂直デコーダ14aから供給される2値の転送信号φTRG に基づき、第1電位Vcc_Hと第3電位Vcc_Lとの間で2値駆動用の転送パルスTRG を出力するCMOSインバータバッファとして構成され、それに対して、ある条件の元でn型トランジスタ328Mが中間電位を転送パルスTRG に設定可能になっている。   As a whole, the p-type transistor 328H and the n-type transistor 328L are for binary driving between the first potential Vcc_H and the third potential Vcc_L based on the binary transfer signal φTRG supplied from the vertical decoder 14a. The CMOS inverter buffer is configured to output the transfer pulse TRG. On the other hand, the n-type transistor 328M can set the intermediate potential to the transfer pulse TRG under certain conditions.

たとえば、図16に示す真理値表のように、垂直デコーダ14aから供給される転送信号φTRG がインアクティブLのときには、中間電位設定信号G1に関わらず、n型トランジスタ328Lがオン(ON)するとともに、p型トランジスタ328Hおよびn型トランジスタ328Mがオフ(OFF)するので、転送パルスTRG は第3電位Vcc_Lに対応したLレベルとなる。   For example, as in the truth table shown in FIG. 16, when the transfer signal φTRG supplied from the vertical decoder 14a is inactive L, the n-type transistor 328L is turned on (ON) regardless of the intermediate potential setting signal G1. Since the p-type transistor 328H and the n-type transistor 328M are turned off, the transfer pulse TRG becomes the L level corresponding to the third potential Vcc_L.

また、垂直デコーダ14aから供給される中間電位設定信号G1がアクティブHで転送信号φTRG がアクティブHのときにおいて、共有ありG2がアクティブHのとき、つまり、間引き行が読出し行と共有しており、かつ間引き時に入れる中間電位設定信号G1がアクティブHのときには、n型トランジスタ328Lがオン(ON)するとともに、p型トランジスタ328Hおよびn型トランジスタ328Mがオフ(OFF)するので、転送パルスTRG は第3電位Vcc_Lに対応したLレベルとなる。   Further, when the intermediate potential setting signal G1 supplied from the vertical decoder 14a is active H and the transfer signal φTRG is active H, when the shared G2 is active H, that is, the thinning row is shared with the readout row, When the intermediate potential setting signal G1 input at the time of thinning is active H, the n-type transistor 328L is turned on (ON) and the p-type transistor 328H and the n-type transistor 328M are turned off (OFF). It becomes L level corresponding to the potential Vcc_L.

また、垂直デコーダ14aから供給される中間電位設定信号G1がアクティブHで転送信号φTRG がアクティブHのときにおいて、共有なしG3がアクティブHのとき、つまり、間引き行が読出し行と共有しておらず、かつ間引き時に入れる中間電位設定信号G1がアクティブHのときには、n型トランジスタ328Mがオン(ON)するとともに、p型トランジスタ328Hおよびn型トランジスタ328Lがオフ(OFF)するので、転送パルスTRG は第2電位Vcc_Mに対応したM(中間)レベルとなる。   Further, when the intermediate potential setting signal G1 supplied from the vertical decoder 14a is active H and the transfer signal φTRG is active H, when no sharing G3 is active H, that is, the thinning-out row is not shared with the readout row. When the intermediate potential setting signal G1 input at the time of thinning is active H, the n-type transistor 328M is turned on (ON) and the p-type transistor 328H and the n-type transistor 328L are turned off (OFF). The M (intermediate) level corresponding to the two potentials Vcc_M.

また、垂直デコーダ14aから供給される中間電位設定信号G1がインアクティブLで転送信号φTRG がアクティブHのときには、p型トランジスタ328Hがオン(ON)するとともに、n型トランジスタ328Mおよびn型トランジスタ328Lがオフ(OFF)するので、転送パルスTRG は第1電位Vcc_Hに対応したHレベルとなる。   When the intermediate potential setting signal G1 supplied from the vertical decoder 14a is inactive L and the transfer signal φTRG is active H, the p-type transistor 328H is turned on, and the n-type transistor 328M and the n-type transistor 328L are turned on. Since it is turned off (OFF), the transfer pulse TRG becomes the H level corresponding to the first potential Vcc_H.

なお、図15から分かるように、n型トランジスタ328Mとn型トランジスタ328Lの各ゲート端への入力を、中間電位設定信号G1がアクティブHのときに、共有ありG2がアクティブHか、共有なしG3がアクティブHかに応じて、ゲートを掛ける回路が必要になるので、2ライン分の横方向の配線Y1,Y2が増えるため、垂直方向のピッチ内は、納めづらくなり、レイアウト的に困難さを伴う。   As can be seen from FIG. 15, when the intermediate potential setting signal G1 is active H, the input to each gate terminal of the n-type transistor 328M and the n-type transistor 328L is shared G2 is active H or not shared G3 Depending on whether the active H is active, a circuit to gate is necessary, so the horizontal wiring Y1 and Y2 for two lines are increased, so that it is difficult to fit in the vertical pitch, which makes layout difficult. Accompany.

ここで示した転送駆動バッファBF1の3値駆動に対応する構成例は一例に過ぎず、様々な変形例を採ることができる。たとえば、原理的には、図16に示した真理値表を忠実に反映して構成すればよいのであるが、実際には、ゲート遅延の関係からp型トランジスタ328Hとn型トランジスタ328Mとn型トランジスタ328Lの何れか2つもしくは3つともが同時にオンすることによる貫通電流の発生を防止するべく、各トランジスタ328L,328M,328Hがともにオンする期間が生じないように遷移タイミングを少しずらす仕組みを講じることが考えられる。   The configuration example corresponding to the ternary drive of the transfer drive buffer BF1 shown here is merely an example, and various modifications can be adopted. For example, in principle, the truth table shown in FIG. 16 may be faithfully reflected. However, in practice, the p-type transistor 328H, the n-type transistor 328M, and the n-type are considered in terms of gate delay. A mechanism for slightly shifting the transition timing so as not to cause a period in which each of the transistors 328L, 328M, and 328H is turned on, in order to prevent occurrence of a through current due to any two or three of the transistors 328L being turned on simultaneously. It is possible to take.

ここで、ブルーミング対策電位の一例である中間レベルや中間電位Mは、通常の2値駆動におけるHレベルとLレベルとを除く範囲であればよく、第2電位Vcc_Mとしては、Hレベルを規定することになる第1電位Vcc_HとLレベルを規定することになる第3電位Vcc_Lとを除いた電圧レベルであればどのような値であってもよい。   Here, the intermediate level or the intermediate potential M, which is an example of the blooming countermeasure potential, may be in a range excluding the H level and the L level in normal binary driving, and the H level is defined as the second potential Vcc_M. Any value may be used as long as it is a voltage level excluding the first potential Vcc_H and the third potential Vcc_L that define the L level.

なお、間引き行での電荷の溢れを自身のフローティングディフュージョン38側に転送可能な電位がブルーミング対策電位であるから、本来は、インアクティブレベル(Lレベル)を規定する低電位よりもアクティブレベル(Hレベル)側の電位であればよく、Hレベルを規定する電位であっても差し支えないのであるが、後述するように、Hレベルとすることは得策ではなく、本実施形態では、ブルーミング対策電位として、Hレベルを規定する電位は使用しない。   Since the potential at which charge overflow in thinning-out can be transferred to the floating diffusion 38 is the anti-blooming potential, originally, the active level (H level) is lower than the low potential that defines the inactive level (L level). Level) side potential and may be a potential that defines the H level. However, as will be described later, it is not a good idea to set the potential to the H level. , The potential that defines the H level is not used.

すなわち、先ず、Lレベルを規定する第3電位Vcc_Lに過度に近いとブルーミング対策効果が薄れるし、またHレベルを規定する第1電位Vcc_Hに過度に近いと読出選択用トランジスタ34(転送ゲート)を常時オンさせている状態に極めて近くなり、たとえリセットトランジスタ36としてディプレッション構造のものを使用したとしても不要電荷の排出機能が不十分となりフローティングディフュージョン38をオーバーフローさせてしまうことも懸念される。   That is, first, when it is excessively close to the third potential Vcc_L that defines the L level, the effect of preventing blooming is diminished, and when it is excessively close to the first potential Vcc_H that defines the H level, the read selection transistor 34 (transfer gate) is turned off. There is also a concern that even if a depletion structure is used as the reset transistor 36, the function of discharging unnecessary charges becomes insufficient and the floating diffusion 38 overflows even if the reset transistor 36 is used.

たとえば、信号電荷を電圧信号に変換する際の変換効率を上げるためには、フローティングディフュージョン38の容量(寄生容量含む)を下げることが必要であり、そのためにフローティングディフュージョン38はオーバーフローし易くなる。このとき、ディプレッション構造のリセットトランジスタ36を介したリセット電源Vrdへの排出能力不足があるとオーバーフローし易くなるのである。   For example, in order to increase the conversion efficiency when converting a signal charge into a voltage signal, it is necessary to reduce the capacitance (including parasitic capacitance) of the floating diffusion 38, and the floating diffusion 38 is likely to overflow. At this time, if there is an insufficient discharge capacity to the reset power supply Vrd via the depletion-type reset transistor 36, overflow is likely to occur.

第2電位Vcc_Mを使用するのが間引き読出モード時のブルーミング対策である点を加味すれば、第2電位Vcc_Mの最適な範囲は、間引き行から溢れ出す不要電荷成分がフローティングディフュージョン38側に流れ易くし、かつ露光量が多い場合でも間引き行から溢れ出す不要電荷成分がフローティングディフュージョン38をオーバーフローさせない程度であればよい。リセットトランジスタ36を常時オンさせたときの前述の信頼性・暗電流の問題などをも加味すれば、第1電位Vcc_Hよりは遙かに低電圧(たとえば|第1電位Vcc_H−第3電位Vcc_L|に対して50%以下)であり、かつ第3電位Vcc_Lよりも少し高電位(たとえば|第1電位Vcc_H−第3電位Vcc_L|に対して10%以上)であることが望ましいと考えられる。   Considering that the use of the second potential Vcc_M is a countermeasure against blooming in the thinning-out reading mode, the optimum range of the second potential Vcc_M is that the unnecessary charge component overflowing from the thinning-out line easily flows to the floating diffusion 38 side. However, even if the exposure amount is large, it is sufficient that the unnecessary charge component overflowing from the thinning-out does not overflow the floating diffusion 38. Considering the above-described problems of reliability and dark current when the reset transistor 36 is always turned on, a voltage much lower than the first potential Vcc_H (for example, | first potential Vcc_H−third potential Vcc_L | 50% or less of the first potential Vcc_L) and a potential slightly higher than the third potential Vcc_L (for example, 10% or more with respect to | first potential Vcc_H−third potential Vcc_L |).

一例としては、第1電位Vcc_Hがロジックの電源電圧の3.0〜3.3V程度で、第3電位Vcc_Lが−1V程度であれば、−0.5〜1.0V以内が好ましいと考えられ、たとえば、第2電位Vcc_Mを、接地電位GND である0Vに固定しておくことができる。   As an example, if the first potential Vcc_H is about 3.0 to 3.3 V of the logic power supply voltage and the third potential Vcc_L is about −1 V, it is considered that −0.5 to 1.0 V or less is preferable. For example, the second potential Vcc_M can be fixed to 0 V, which is the ground potential GND.

なお、単位画素3を駆動するパルスは転送パルスTRG 以外にもあり、それらのパルスに関しても、ある目的のために(ここではその目的に関しては規定しない)、2値(たとえば3.3Vと−1V)の間の中間レベル(たとえば0V)を使用する3値(あるいはそれ以上の)駆動方式を適用することもある。   Note that there are pulses for driving the unit pixel 3 other than the transfer pulse TRG, and these pulses have a binary value (for example, 3.3V and −1V) for a certain purpose (the purpose is not specified here). In some cases, a ternary (or higher) driving scheme using an intermediate level (e.g., 0V) is used.

また、転送パルスTRG そのものに関しても、ブルーミング対策以外のある目的のために(ここではその目的に関しては規定しない)、あるタイミングで2値(たとえば3.3Vと−1V)の間の中間レベル(たとえば0V)を使用する3値(あるいはそれ以上の)駆動方式を適用することもある。   Also, the transfer pulse TRG itself has an intermediate level (for example, 3.3 V and −1 V) at a certain timing (for example, 3.3 V and −1 V) at a certain timing for a certain purpose other than a countermeasure against blooming (the purpose is not specified here). In some cases, a ternary (or higher) driving method using 0V) is applied.

これらの場合、それらの中間レベルを規定する電位と、間引き読出モード時における本実施形態のブルーミング対策用の第2電位Vcc_Mとを共通にすることは、回路構成をコンパクトにする上で有効な手段である。   In these cases, it is effective to make the circuit configuration compact by making the potential defining the intermediate level common to the second potential Vcc_M for preventing blooming in the present embodiment in the thinning-out reading mode. It is.

すなわち、単位画素3を駆動する各種のパルスに関して、垂直駆動部14bに3電源を供給し、単位画素3の駆動時に3値パルスを使用する構成を既に採っている場合には、3値パルスの中間レベルを規定する中間電位を、本実施形態で用いる間引き行に対しての転送パルスTRG 用の第2電位Vcc_M(中間電位)と併用することで、新規の中間電位用の電圧作成が不要であり、動作モードを変えるだけで対応が可能となる利点がある。   That is, with respect to various pulses for driving the unit pixel 3, when a configuration in which three power sources are supplied to the vertical drive unit 14 b and the ternary pulse is used when the unit pixel 3 is driven has already been adopted, By using the intermediate potential that defines the intermediate level together with the second potential Vcc_M (intermediate potential) for the transfer pulse TRG for the thinning-out row used in this embodiment, it is not necessary to create a new voltage for the intermediate potential. There is an advantage that it is possible to cope with it only by changing the operation mode.

<3値とフローティングの切替え駆動回路の構成例>
図17は、間引き読出しモード時に間引き行の転送パルスTRG を3値駆動状態(事実上は中間レベルのみが必要)からフローティング状態に切り替えるための転送駆動バッファBF1の構成例を示す図である。ここでは、図15に示した構成に対する変形例で示す。
<Configuration example of switching drive circuit between ternary and floating>
FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of the transfer driving buffer BF1 for switching the thinning-out transfer pulse TRG from the ternary driving state (which actually requires only the intermediate level) to the floating state in the thinning readout mode. Here, a modification to the configuration shown in FIG. 15 is shown.

図15との比較から分かるように、先ず、第2電位Vcc_M(中間レベルを規定する中間電位M)を設定するためのn型トランジスタ328Mを取り外している。また、出力バッファ328の後段にインヒビット端子INHが付いたバッファ329を設けている。   As can be seen from the comparison with FIG. 15, first, the n-type transistor 328M for setting the second potential Vcc_M (intermediate potential M defining the intermediate level) is removed. Further, a buffer 329 having an inhibit terminal INH is provided at the subsequent stage of the output buffer 328.

バッファ329は、入力端に出力バッファ328の出力が入力され、インヒビット端子INHにANDゲート320からの転送信号φMTRGが入力され、出力端からは読出選択用トランジスタ34に供給される転送パルスTRG が出力される。   In the buffer 329, the output of the output buffer 328 is input to the input terminal, the transfer signal φMTRG from the AND gate 320 is input to the inhibit terminal INH, and the transfer pulse TRG supplied to the read selection transistor 34 is output from the output terminal. Is done.

バッファ329は、インヒビット端子INHに入力されたANDゲート322からの転送信号φMTRGが、Lレベルのときには入力端の状態(つまり出力バッファ328の出力論理)を出力端から出力し、Hレベルのときには出力端をオープン状態にする。   The buffer 329 outputs the state of the input terminal (that is, the output logic of the output buffer 328) from the output terminal when the transfer signal φMTRG from the AND gate 322 input to the inhibit terminal INH is at the L level, and outputs when the transfer signal φMTRG is at the H level. Open the end.

これにより、読出選択用トランジスタ34に供給される転送パルスTRG は、ANDゲート322からの転送信号φMTRGがLレベルのときには第1電位Vcc_H(たとえば3V)と第3電位Vcc_L(たとえば−1V)との間での2値駆動となるが、ANDゲート322からの転送信号φMTRGがHレベルのときには出力端がオープンとされることでフローティング状態となる。   As a result, the transfer pulse TRG supplied to the read selection transistor 34 is generated between the first potential Vcc_H (for example, 3V) and the third potential Vcc_L (for example, −1V) when the transfer signal φMTRG from the AND gate 322 is at the L level. However, when the transfer signal φMTRG from the AND gate 322 is at the H level, the output terminal is opened to enter a floating state.

ANDゲート322からの転送信号φMTRGがHレベルとなるのは、図15での場合と同じように、垂直デコーダ14aから供給される中間電位設定信号G1がアクティブHで転送信号φTRG がアクティブHのときで、かつ共有なしのときである。よって、間引き読出しモード時には、非選択行である間引き行の読出しゲート(読出選択用トランジスタ34のゲート端)を、読出動作行との間で画素共有対象であるか否かを加味しながらフローティングにできる。   The transfer signal φMTRG from the AND gate 322 becomes H level when the intermediate potential setting signal G1 supplied from the vertical decoder 14a is active H and the transfer signal φTRG is active H, as in FIG. And when there is no sharing. Therefore, in the thinning readout mode, the readout gate of the thinning out row (non-selected row) (the gate end of the readout selection transistor 34) is floated in consideration of whether or not the pixel is shared with the readout operation row. it can.

<撮像装置>
図18は、前述の本実施形態の固体撮像装置1と同様の仕組みを利用した物理情報取得装置の一例である撮像装置の概略構成を示す図である。この撮像装置8は、可視光カラー画像を得る撮像装置になっている。
<Imaging device>
FIG. 18 is a diagram illustrating a schematic configuration of an imaging apparatus which is an example of a physical information acquisition apparatus using a mechanism similar to that of the solid-state imaging apparatus 1 of the present embodiment described above. The imaging device 8 is an imaging device that obtains a visible light color image.

全画素読出しモードと間引き読出しモードとの間での撮像モード切替えの制御、あるいは間引き読出時の転送駆動バッファBF1における3値駆動やフローティング出力の対応などの制御は、外部の主制御部において、モード切替指示などを通信・タイミング制御部20に対するデータ設定で任意に指定できるようにする。   Control of imaging mode switching between the all-pixel readout mode and the thinning readout mode, or control such as correspondence of ternary driving and floating output in the transfer drive buffer BF1 at the time of thinning readout is performed by an external main control unit. A switching instruction or the like can be arbitrarily designated by data setting for the communication / timing control unit 20.

前述した固体撮像装置1の仕組みは固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置としても、間引き読出しモード時に、間引き行の電荷生成部32で溢れる電荷が、フローティングディフュージョン38側に転送され易い状態となるように、画素共有構造に配慮しつつ(つまり間引き行が読出し動作行と共有関係にあるか否かに応じて)、読出選択用トランジスタ34に供給する転送パルスTRG を中間電位Mやフローティングなどとするブルーミング対策電位での制御を実行することで、ブルーミングを抑制する仕組みを実現できるようになる。全ての撮像モードで良好な画質を維持することができる。   The mechanism of the solid-state imaging device 1 described above can be applied not only to the solid-state imaging device but also to the imaging device. In this case, the imaging device also takes into account the pixel sharing structure (that is, thinning-out) so that the charges overflowing in the thinning-out charge generation unit 32 are easily transferred to the floating diffusion 38 side in the thinning-out reading mode. By executing control at a blooming countermeasure potential such that the transfer pulse TRG supplied to the read selection transistor 34 is an intermediate potential M or floating, depending on whether or not is shared with the read operation row) It will be possible to realize a mechanism to suppress this. Good image quality can be maintained in all imaging modes.

加えて、間引き行が読出し動作行と共有関係になければ間引き行の転送パルスTRG をブルーミング対策電位に設定するが、間引き行が読出し動作行と共有関係にあればブルーミング対策電位よりもインアクティブ側の電位に設定することで、間引き行の電荷生成部32から読出し動作行の画素信号生成部5(特にフローティングディフュージョン38)への信号の漏れ込みによる信号レベル変動の発生を防止できる。   In addition, if the decimation row is not in a shared relationship with the read operation row, the transfer pulse TRG of the decimation row is set to the blooming countermeasure potential. Therefore, it is possible to prevent the fluctuation of the signal level due to the leakage of the signal from the charge generation unit 32 in the thinning-out row to the pixel signal generation unit 5 (particularly, the floating diffusion 38) in the readout operation row.

具体的には、撮像装置8は、蛍光灯などの照明装置801の下にある被写体Zの像を担持する光Lを撮像装置側に導光して結像させる撮影レンズ802と、光学ローパスフィルタ804と、たとえばR,G,Bの色フィルタがベイヤー配列とされている色フィルタ群812と、画素アレイ部10と、画素アレイ部10を駆動する駆動制御部7と、画素アレイ部10から出力された画素信号に対してCDS処理やAD変換処理などを施すカラム処理部26と、カラム処理部26に参照信号Vslopを供給する参照信号生成部27と、カラム処理部26から出力された撮像信号を処理するカメラ信号処理部810を備えている。   Specifically, the imaging device 8 includes a photographing lens 802 that guides light L carrying the image of the subject Z under the illumination device 801 such as a fluorescent lamp to the imaging device side, and an optical low-pass filter. 804, a color filter group 812 in which, for example, R, G, and B color filters are arranged in a Bayer array, a pixel array unit 10, a drive control unit 7 that drives the pixel array unit 10, and an output from the pixel array unit 10 A column processing unit 26 that performs CDS processing, AD conversion processing, and the like on the processed pixel signal, a reference signal generation unit 27 that supplies a reference signal Vslop to the column processing unit 26, and an imaging signal output from the column processing unit 26 Is provided with a camera signal processing unit 810.

光学ローパスフィルタ804は、折返し歪みを防ぐために、ナイキスト周波数以上の高周波成分を遮断するためのものである。また、図中に点線で示しように、光学ローパスフィルタ804と合わせて、赤外光成分を低減させる赤外光カットフィルタ805を設けることもできる。この点は、一般的な撮像装置と同様である。   The optical low-pass filter 804 is for blocking high frequency components higher than the Nyquist frequency in order to prevent aliasing distortion. Further, as indicated by a dotted line in the drawing, an infrared light cut filter 805 that reduces the infrared light component can be provided in combination with the optical low-pass filter 804. This is the same as a general imaging device.

カラム処理部26の後段に設けられたカメラ信号処理部810は、撮像信号処理部820と、撮像装置8の全体を制御する主制御部として機能するカメラ制御部900とを有する。   The camera signal processing unit 810 provided at the subsequent stage of the column processing unit 26 includes an imaging signal processing unit 820 and a camera control unit 900 that functions as a main control unit that controls the entire imaging apparatus 8.

撮像信号処理部820は、色フィルタとして原色フィルタ以外のものが使用されているときにカラム処理部26のAD変換機能部から供給されるデジタル撮像信号をR(赤),G(緑),B(青)の原色信号に分離する原色分離機能を具備した信号分離部822と、信号分離部822によって分離された原色信号R,G,Bに基づいて色信号Cに関しての信号処理を行なう色信号処理部830とを有する。   The imaging signal processing unit 820 outputs digital imaging signals supplied from the AD conversion function unit of the column processing unit 26 when a color filter other than the primary color filter is used as R (red), G (green), B A signal separation unit 822 having a primary color separation function that separates into (blue) primary color signals, and a color signal that performs signal processing on the color signal C based on the primary color signals R, G, and B separated by the signal separation unit 822 And a processing unit 830.

また撮像信号処理部820は、信号分離部822によって分離された原色信号R,G,Bに基づいて輝度信号Yに関しての信号処理を行なう輝度信号処理部840と、輝度信号Y/色信号Cに基づいて映像信号VDを生成するエンコーダ部860とを有する。   The imaging signal processing unit 820 also converts the luminance signal Y / color signal C into a luminance signal processing unit 840 that performs signal processing on the luminance signal Y based on the primary color signals R, G, and B separated by the signal separation unit 822. And an encoder unit 860 that generates a video signal VD based on the encoder 860.

色信号処理部830は、図示を割愛するが、たとえば、ホワイトバランスアンプ、ガンマ補正部、色差マトリクス部などを有する。ホワイトバランスアンプは、図示しないホワイトバランスコントローラから供給されるゲイン信号に基づき、信号分離部822の原色分離機能部から供給される原色信号のゲインを調整(ホワイトバランス調整)し、ガンマ補正部および輝度信号処理部840に供給する。   Although not shown, the color signal processing unit 830 includes, for example, a white balance amplifier, a gamma correction unit, a color difference matrix unit, and the like. The white balance amplifier adjusts the gain of the primary color signal supplied from the primary color separation function unit of the signal separation unit 822 (white balance adjustment) based on the gain signal supplied from a white balance controller (not shown), and the gamma correction unit and brightness The signal is supplied to the signal processing unit 840.

ガンマ補正部は、ホワイトバランスが調整された原色信号に基づいて、忠実な色再現のためのガンマ(γ)補正を行ない、ガンマ補正された各色用の出力信号R,G,Bを色差マトリクス部に入力する。色差マトリクス部は、色差マトリクス処理を行なって得た色差信号R−Y,B−Yをエンコーダ部860に入力する。   The gamma correction unit performs gamma (γ) correction for faithful color reproduction based on the primary color signal whose white balance is adjusted, and outputs the output signals R, G, and B for each color subjected to gamma correction as a color difference matrix unit To enter. The color difference matrix unit inputs the color difference signals RY and BY obtained by performing the color difference matrix processing to the encoder unit 860.

輝度信号処理部840は、図示を割愛するが、たとえば、信号分離部822の原色分離機能部から供給される原色信号に基づいて比較的周波数が高い成分までをも含む輝度信号YHを生成する高周波輝度信号生成部と、ホワイトバランスアンプから供給されるホワイトバランスが調整された原色信号に基づいて比較的周波数が低い成分のみを含む輝度信号YLを生成する低周波輝度信号生成部と、2種類の輝度信号YH,YLに基づいて輝度信号Yを生成しエンコーダ部860に供給する輝度信号生成部とを有する。   Although not shown, the luminance signal processing unit 840 generates, for example, a high frequency signal that generates a luminance signal YH including a component having a relatively high frequency based on the primary color signal supplied from the primary color separation function unit of the signal separation unit 822. A luminance signal generation unit; a low frequency luminance signal generation unit that generates a luminance signal YL including only a component having a relatively low frequency based on a primary color signal adjusted from white balance supplied from a white balance amplifier; A luminance signal generation unit that generates the luminance signal Y based on the luminance signals YH and YL and supplies the luminance signal Y to the encoder unit 860;

エンコーダ部860は、色信号副搬送波に対応するデジタル信号で色差信号R−Y,B−Yをデジタル変調した後、輝度信号処理部840にて生成された輝度信号Yと合成して、デジタル映像信号VD(=Y+S+C;Sは同期信号、Cはクロマ信号)に変換する。   The encoder unit 860 digitally modulates the color difference signals RY and BY with a digital signal corresponding to the color signal subcarrier, and then synthesizes the digital image with the luminance signal Y generated by the luminance signal processing unit 840. The signal is converted into a signal VD (= Y + S + C; S is a synchronization signal, and C is a chroma signal).

エンコーダ部860から出力されたデジタル映像信号VDは、さらに後段の図示を割愛したカメラ信号出力部に供給され、モニタ出力や記録メディアへのデータ記録などに供される。この際、必要に応じて、DA変換によってデジタル映像信号VDがアナログ映像信号Vに変換される。   The digital video signal VD output from the encoder unit 860 is further supplied to a camera signal output unit that is not shown in the subsequent stage, and is used for monitor output, data recording on a recording medium, and the like. At this time, the digital video signal VD is converted into the analog video signal V by DA conversion as necessary.

本実施形態のカメラ制御部900は、コンピュータが行なう演算と制御の機能を超小型の集積回路に集約させたCPU(Central Processing Unit )を代表例とする電子計算機の中枢をなすマイクロプロセッサ(microprocessor)902と、読出専用の記憶部であるROM(Read Only Memory)904、随時書込みおよび読出しが可能であるとともに揮発性の記憶部の一例であるRAM(Random Access Memory)906と、図示を割愛したその他の周辺部材を有している。マイクロプロセッサ902、ROM904、およびRAM906を纏めて、マイクロコンピュータ(microcomputer )とも称する。   The camera control unit 900 of the present embodiment is a microprocessor that forms the center of an electronic computer whose representative example is a CPU (Central Processing Unit) in which calculation and control functions performed by a computer are integrated into an ultra-small integrated circuit. 902, a ROM (Read Only Memory) 904 that is a read-only storage unit, a RAM (Random Access Memory) 906 that is an example of a volatile storage unit that can be written and read at any time, and others that are not illustrated The peripheral member is included. The microprocessor 902, the ROM 904, and the RAM 906 are collectively referred to as a microcomputer.

なお、上記において“揮発性の記憶部”とは、装置の電源がオフされた場合には、記憶内容を消滅してしまう形態の記憶部を意味する。一方、“不揮発性の記憶部”とは、装置のメイン電源がオフされた場合でも、記憶内容を保持し続ける形態の記憶部を意味する。記憶内容を保持し続けることができるものであればよく、半導体製のメモリ素子自体が不揮発性を有するものに限らず、バックアップ電源を備えることで、揮発性のメモリ素子を“不揮発性”を呈するように構成するものであってもよい。   In the above description, the “volatile storage unit” means a storage unit in which the stored contents are lost when the power of the apparatus is turned off. On the other hand, the “nonvolatile storage unit” means a storage unit in a form that keeps stored contents even when the main power supply of the apparatus is turned off. Any memory device can be used as long as it can retain the stored contents. The semiconductor memory device itself is not limited to a nonvolatile memory device, and a backup power supply is provided to make a volatile memory device “nonvolatile”. You may comprise as follows.

また、半導体製のメモリ素子により構成することに限らず、磁気ディスクや光ディスクなどの媒体を利用して構成してもよい。たとえば、ハードディスク装置を不揮発性の記憶部として利用できる。また、CD−ROMなどの記録媒体から情報を読み出す構成を採ることでも不揮発性の記憶部として利用できる。   Further, the present invention is not limited to a semiconductor memory element, and may be configured using a medium such as a magnetic disk or an optical disk. For example, a hard disk device can be used as a nonvolatile storage unit. In addition, it is possible to use as a nonvolatile storage unit by adopting a configuration for reading information from a recording medium such as a CD-ROM.

カメラ制御部900は、システム全体を制御するものであり、特に前述の読出選択用トランジスタ34に供給する転送パルスTRG のブルーミング対策電位制御との関係においては、転送パルスTRG を3値駆動や“2値駆動+フローティング”にするための各種の制御パルスのオン/オフタイミングを調整する機能を有している。   The camera control unit 900 controls the entire system. In particular, in relation to the above-described blooming countermeasure potential control of the transfer pulse TRG supplied to the readout selection transistor 34, the transfer pulse TRG is driven in three values or “2”. It has a function of adjusting the on / off timing of various control pulses for “value driving + floating”.

ROM904にはカメラ制御部900の制御プログラムなどが格納されているが、特に本例では、カメラ制御部900によって、各種の制御パルスのオン/オフタイミングを設定するためのプログラムが格納されている。   The ROM 904 stores a control program for the camera control unit 900. In this example, in particular, the camera control unit 900 stores a program for setting on / off timings of various control pulses.

RAM906にはカメラ制御部900が各種処理を行なうためのデータなどが格納されている。   The RAM 906 stores data for the camera control unit 900 to perform various processes.

また、カメラ制御部900は、メモリカードなどの記録媒体924を挿脱可能に構成し、またインターネットなどの通信網との接続が可能に構成している。たとえば、カメラ制御部900は、マイクロプロセッサ902、ROM904、およびRAM906の他に、メモリ読出部907および通信I/F(インタフェース)908を備える。   The camera control unit 900 is configured so that a recording medium 924 such as a memory card can be inserted and removed, and can be connected to a communication network such as the Internet. For example, the camera control unit 900 includes a memory reading unit 907 and a communication I / F (interface) 908 in addition to the microprocessor 902, the ROM 904, and the RAM 906.

記録媒体924は、たとえば、マイクロプロセッサ902にソフトウェア処理をさせるためのプログラムデータや、輝度信号処理部840からの輝度系信号に基づく測光データDLの収束範囲や露光制御処理(電子シャッタ制御を含む)、転送パルスTRG を3値駆動や“2値駆動+フローティング”とするブルーミング対策電位制御のための各種の制御パルスのオン/オフタイミングなど、様々な設定値などのデータを登録するなどのために利用される。   The recording medium 924 includes, for example, program data for causing the microprocessor 902 to perform software processing, a convergence range of the photometric data DL based on the luminance system signal from the luminance signal processing unit 840, and exposure control processing (including electronic shutter control). To register data such as various set values such as on / off timing of various control pulses for controlling the blooming potential to make the transfer pulse TRG ternary drive or “binary drive + floating” Used.

メモリ読出部907は、記録媒体924から読み出したデータをRAM906に格納(インストール)する。通信I/F908は、インターネットなどの通信網との間の通信データの受け渡しを仲介する。   The memory reading unit 907 stores (installs) the data read from the recording medium 924 in the RAM 906. The communication I / F 908 mediates transfer of communication data with a communication network such as the Internet.

なお、このような撮像装置8は、駆動制御部7およびカラム処理部26を、画素アレイ部10と別体にしてモジュール状のもので示しているが、固体撮像装置1について述べたように、これらが画素アレイ部10と同一の半導体基板上に一体的に形成されたワンチップものの固体撮像装置1を利用してもよいのは言うまでもない。   In addition, although such an imaging device 8 shows the drive control unit 7 and the column processing unit 26 in a module form separately from the pixel array unit 10, as described for the solid-state imaging device 1, Needless to say, the one-chip solid-state imaging device 1 integrally formed on the same semiconductor substrate as the pixel array unit 10 may be used.

また、図では、画素アレイ部10や駆動制御部7やカラム処理部26や参照信号生成部27やカメラ信号処理部810の他に、撮影レンズ802、光学ローパスフィルタ804、あるいは赤外光カットフィルタ805などの光学系をも含む状態で、撮像装置8を示しており、この態様は、これらを纏めてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態とする場合に好適である。   In addition, in the figure, in addition to the pixel array unit 10, the drive control unit 7, the column processing unit 26, the reference signal generation unit 27, and the camera signal processing unit 810, a photographing lens 802, an optical low-pass filter 804, or an infrared light cut filter The image pickup apparatus 8 is shown in a state including an optical system such as 805, and this aspect is suitable for a module-like form having an image pickup function packaged together.

ここで、前述の固体撮像装置1におけるモジュールとの関係においては、図示のように、画素アレイ部10(撮像部)と、AD変換機能や差分(CDS)処理機能を具備したカラム処理部26などの画素アレイ部10側と密接に関連した信号処理部(カラム処理部26の後段のカメラ信号処理部は除く)が纏めてパッケージングされた状態で撮像機能を有するモジュール状の形態で固体撮像装置1を提供するようにし、そのモジュール状の形態で提供された固体撮像装置1の後段に、残りの信号処理部であるカメラ信号処理部810を設けて撮像装置8の全体を構成するようにしてもよい。   Here, in relation to the modules in the solid-state imaging device 1 described above, as shown in the figure, the pixel array unit 10 (imaging unit), the column processing unit 26 having an AD conversion function and a difference (CDS) processing function, and the like A solid-state imaging device in the form of a module having an imaging function in a state where signal processing units closely related to the pixel array unit 10 side (excluding the camera signal processing unit following the column processing unit 26) are packaged together 1 is provided, and a camera signal processing unit 810, which is the remaining signal processing unit, is provided in the subsequent stage of the solid-state imaging device 1 provided in the module form so that the entire imaging device 8 is configured. Also good.

または、図示を割愛するが、画素アレイ部10と撮影レンズ802などの光学系とが纏めてパッケージングされた状態で撮像機能を有するモジュール状の形態で固体撮像装置1を提供するようにし、そのモジュール状の形態で提供された固体撮像装置1に加えて、カメラ信号処理部810をもモジュール内に設けて、撮像装置8の全体を構成するようにしてもよい。   Alternatively, although not shown, the solid-state imaging device 1 is provided in a modular form having an imaging function in a state where the pixel array unit 10 and the optical system such as the photographing lens 802 are packaged together. In addition to the solid-state imaging device 1 provided in the form of a module, a camera signal processing unit 810 may be provided in the module to constitute the entire imaging device 8.

また、固体撮像装置1におけるモジュールの形態として、カメラ信号処理部200に相当するカメラ信号処理部810を含めてもよく、この場合には、事実上、固体撮像装置1と撮像装置8とが同一のものと見なすこともできる。   Further, as a module form in the solid-state imaging device 1, a camera signal processing unit 810 corresponding to the camera signal processing unit 200 may be included. In this case, the solid-state imaging device 1 and the imaging device 8 are practically the same. It can also be regarded as a thing.

このような撮像装置8は、「撮像」を行なうための、たとえば、カメラや撮像機能を有する携帯機器として提供される。なお、「撮像」は、通常のカメラ撮影時の像の撮り込みだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。   Such an imaging device 8 is provided as a portable device having an imaging function, for example, for performing “imaging”. Note that “imaging” includes not only capturing an image during normal camera shooting but also includes fingerprint detection in a broad sense.

このような構成の撮像装置8においては、前述の固体撮像装置1の全ての機能を包含して構成されており、前述の固体撮像装置1の基本的な構成および動作と同様とすることができ、間引き行の電荷生成部32から溢れる電荷が隣接する読出し動作行に漏れ込むことによるブルーミング現象の発生が抑制されるように、間引き行が読出し動作行と共有関係にあるか否かをも考慮して、間引き行への転送パルスTRG を3値駆動や“2値駆動+フローティング”とするブルーミング対策電位制御を行なう仕組みを実現できるようになる。   The imaging device 8 having such a configuration is configured to include all the functions of the solid-state imaging device 1 described above, and can be the same as the basic configuration and operation of the solid-state imaging device 1 described above. Considering whether or not the thinning-out row is in a shared relationship with the read-out operation row so that the blooming phenomenon caused by the leakage of the charge overflowing from the charge generation unit 32 of the thinning-out row into the adjacent readout operation row is suppressed. As a result, it is possible to realize a mechanism for controlling the blooming potential such that the transfer pulse TRG to the thinning-out row is ternary driving or “binary driving + floating”.

たとえば、上述した処理をコンピュータに実行させるプログラムは、フラッシュメモリ、ICカード、あるいはミニチュアーカードなどの不揮発性の半導体メモリカードなどの記録媒体924を通じて配布される。さらに、サーバなどからインターネットなどの通信網を経由して前記プログラムをダウンロードして取得したり、あるいは更新してもよい。   For example, a program that causes a computer to execute the above-described processing is distributed through a recording medium 924 such as a non-volatile semiconductor memory card such as a flash memory, an IC card, or a miniature card. Furthermore, the program may be downloaded and acquired from a server or the like via a communication network such as the Internet, or may be updated.

記録媒体924の一例としてのICカードやミニチュアーカードなどの半導体メモリには、前記実施形態で説明した固体撮像装置1における処理の一部または全て(特に間引き読出しモード時に、画素共有構造を考慮した、転送パルスTRG を3値駆動や“2値駆動+フローティング”とするブルーミング対策電位制御に関わる部分)の機能を格納することができる。したがって、プログラムや当該プログラムを格納した記憶媒体を提供することができる。   In a semiconductor memory such as an IC card or a miniature card as an example of the recording medium 924, a part or all of the processing in the solid-state imaging device 1 described in the embodiment (particularly in the thinning readout mode, the pixel sharing structure is considered. It is possible to store a function of a part relating to blooming countermeasure potential control in which the transfer pulse TRG is ternary driving or “binary driving + floating”. Therefore, a program and a storage medium storing the program can be provided.

たとえば、転送パルスTRG を3値駆動する制御を行なうブルーミング対策電位制御処理用のプログラム、すなわちRAM906などにインストールされるブルーミング対策電位制御処理用のソフトウェアは、固体撮像装置1について説明したブルーミング対策電位制御処理と同様に、間引き読出時のブルーミング現象を抑制するブルーミング対策電位制御処理を実現するための制御パルス設定機能をソフトウェアとして備える。   For example, an anti-blooming potential control process program for performing ternary drive control of the transfer pulse TRG, that is, an anti-blooming potential control process software installed in the RAM 906 or the like is the anti-blooming potential control described for the solid-state imaging device 1. Similar to the processing, the control pulse setting function for realizing the blooming countermeasure potential control processing for suppressing the blooming phenomenon at the time of thinning-out reading is provided as software.

ソフトウェアは、RAM906に読み出された後にマイクロプロセッサ902により実行される。たとえばマイクロプロセッサ902は、記録媒体の一例であるROM904およびRAM906に格納されたプログラムに基づいて制御パルス設定処理を実行することにより、間引き読出モード時に、間引き行の読出選択用トランジスタ34に供給する転送パルスTRG を常時ブルーミング対策電位(たとえば中間電位Mやフローティング)とすることで、間引き行の電荷生成部32で生じる電荷が溢れて隣接する読出し動作行に漏れ込むブルーミング現象を抑制させる機能をソフトウェア的に実現することができる。   The software is executed by the microprocessor 902 after being read into the RAM 906. For example, the microprocessor 902 executes a control pulse setting process based on a program stored in the ROM 904 and the RAM 906, which are examples of recording media, so that the transfer supplied to the read selection transistor 34 in the thinning row is performed in the thinning readout mode. By using the pulse TRG as a countermeasure against blooming at all times (for example, the intermediate potential M or floating), the function of suppressing the blooming phenomenon that the charge generated in the charge generation unit 32 of the thinning-out row overflows and leaks into the adjacent read operation row is software-like Can be realized.

以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で前記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various changes or improvements can be added to the above-described embodiment without departing from the gist of the invention, and embodiments to which such changes or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention.

また、前記実施形態は、クレーム(請求項)にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。   Moreover, the said embodiment does not limit the invention concerning a claim (claim), and all the combinations of the characteristics demonstrated in embodiment are not necessarily essential for the solution means of invention. . The embodiments described above include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. Even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, as long as an effect is obtained, a configuration from which these some constituent requirements are deleted can be extracted as an invention.

たとえば、前記実施形態では、行間引きの駆動における垂直方向に隣接する画素へのブルーミング現象とその対策について説明したが、列方向の間引きに関しても、前記実施形態の技術思想を同様に適用できる。また、画素共有関係に関しても、複数行での共有関係に限らず、複数列での共有関係の場合であってもよい。さらには、行間引きの駆動かつ複数行での共有関係と言うように、間引きの方向と共有関係の方向とが一致している場合に限らず、行間引きの駆動かつ複数列での共有関係もしくは列間引きの駆動かつ複数行での共有関係と言うように、間引きの方向と共有関係の方向とが不一致の場合でもよい。   For example, in the above-described embodiment, the blooming phenomenon to the pixels adjacent in the vertical direction in the row thinning driving and the countermeasures thereof have been described. However, the technical idea of the above embodiment can be similarly applied to the thinning in the column direction. Further, the pixel sharing relationship is not limited to a sharing relationship in a plurality of rows, but may be a sharing relationship in a plurality of columns. Furthermore, the driving of row thinning and the sharing relationship in a plurality of columns are not limited to the case where the direction of the thinning and the direction of the sharing relationship coincide with each other, such as the row thinning driving and the sharing relationship in a plurality of rows. It may be the case where the direction of thinning and the direction of the sharing relationship do not match, such as driving column thinning and a shared relationship in a plurality of rows.

たとえば、行間引きに関しては、前述のようにして垂直走査回路14の制御の元で間引き読出しを行ない、そのようにして読み出された各列の画素信号を水平方向に関して、水平走査回路12による制御の元で間引き転送を行なえばよい。あるいは、画素アレイ部10に対する読出しアドレスの設定をX−Yアドレス方式で自由に設定可能な仕組みにして行方向と列方向に関して間引き読出しを行なうようにしてもよい。また、行方向(水平方向)への間引き処理時には、読み出されない列に関しては、読出電流源部24により垂直信号線19へ供給する負荷電流(読出電流)を停止して消費電力の低減を図るようにするとよい。   For example, with regard to row thinning, thinning readout is performed under the control of the vertical scanning circuit 14 as described above, and the pixel signals of each column thus read are controlled by the horizontal scanning circuit 12 in the horizontal direction. The decimation transfer may be performed under the above. Alternatively, thinning readout may be performed in the row direction and the column direction by setting a readout address for the pixel array unit 10 in a mechanism that can be freely set by the XY address method. Further, during thinning processing in the row direction (horizontal direction), for a column that is not read, the load current (read current) supplied to the vertical signal line 19 by the read current source unit 24 is stopped to reduce power consumption. It is good to do so.

本発明に掛る固体撮像装置の一実施形態であるCMOS固体撮像装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the CMOS solid-state imaging device which is one Embodiment of the solid-state imaging device concerning this invention. 図1に示した固体撮像装置に使用される単位画素群を構成する各構成要素の配置レイアウト例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning layout of each component which comprises the unit pixel group used for the solid-state imaging device shown in FIG. 図1に示した固体撮像装置に使用される単位画素群の構成例と、駆動部と駆動制御線と画素トランジスタの接続態様を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a unit pixel group used in the solid-state imaging device illustrated in FIG. 1 and a connection mode of a drive unit, a drive control line, and a pixel transistor. 図2に示した単位画素群を構成する単位画素の、電荷生成部およびフローティングディフュージョンに着目したB−B’断面線およびC−C’断面線における濃度分布断面構造の模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a concentration distribution cross-sectional structure in a B-B ′ cross-sectional line and a C-C ′ cross-sectional line focusing on a charge generation unit and a floating diffusion of unit pixels constituting the unit pixel group illustrated in FIG. 2. 図3のA−A’断面線および図2のB−B’断面線のポテンシャル断面図の一例である。FIG. 4 is an example of a potential cross-sectional view taken along a line A-A ′ in FIG. 3 and a line B-B ′ in FIG. 2. 図1に示した固体撮像装置のカラムAD回路における基本動作である信号取得差分処理を説明するためのタイミングチャートである。3 is a timing chart for explaining signal acquisition difference processing, which is a basic operation in the column AD circuit of the solid-state imaging device shown in FIG. 1. 本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式に対する第1比較例を説明する画素アレイ部に着目した図である。It is a figure which paid its attention to the pixel array part explaining the 1st comparative example with respect to the pixel drive system at the time of thinning-out reading mode of this embodiment. 本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式に対する第1比較例を説明するタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining a first comparative example for a pixel driving method in a thinning readout mode according to the present embodiment. 本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式に対する第2比較例を説明する画素アレイ部に着目した図である。It is a figure which paid its attention to the pixel array part explaining the 2nd comparative example with respect to the pixel drive system at the thinning-out reading mode of this embodiment. 本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式に対する第2比較例を説明するタイミングチャートである。10 is a timing chart for explaining a second comparative example for the pixel driving method in the thinning readout mode according to the present embodiment. 本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式に対する第3比較例を説明する画素アレイ部に着目した図である。It is a figure which paid its attention to the pixel array part explaining the 3rd comparative example with respect to the pixel drive system at the time of thinning readout mode of this embodiment. 本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式に対する第3比較例を説明するタイミングチャートである。12 is a timing chart for explaining a third comparative example with respect to the pixel driving method in the thinning readout mode according to the present embodiment. 画素アレイ部が画素共有方式の場合に、図9および図10に示した第3比較例を適用したときの画素信号に生じる問題点を説明する模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a problem that occurs in a pixel signal when the third comparative example shown in FIGS. 9 and 10 is applied when the pixel array unit is a pixel sharing method. 本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式を説明する画素アレイ部に着目した図である。It is a figure which paid its attention to the pixel array part explaining the pixel drive system at the time of thinning-out reading mode of this embodiment. 本実施形態の間引き読出しモード時の画素駆動方式を説明するタイミングチャートである。6 is a timing chart illustrating a pixel driving method in a thinning readout mode according to the present embodiment. 画素アレイ部が画素共有方式の場合に、図12および図13に示した本実施形態の駆動方式を適用したときの効果を説明する模式図である。FIG. 14 is a schematic diagram for explaining an effect when the driving method of the present embodiment shown in FIGS. 12 and 13 is applied when the pixel array unit is a pixel sharing method. 間引き読出しモード時に間引き行の転送パルスを3値駆動可能にするための転送駆動バッファの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the transfer drive buffer for enabling ternary drive of the transfer pulse of a thinning line at the thinning-out reading mode. 図15に示す転送駆動バッファの動作を説明する真理値表である。16 is a truth table for explaining the operation of the transfer drive buffer shown in FIG. 間引き読出しモード時に間引き行の転送パルスを2値駆動状態からフローティング状態に切り替えるための転送駆動バッファの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the transfer drive buffer for switching the transfer pulse of a thinning line from a binary drive state to a floating state at the thinning-out reading mode. 本実施形態の固体撮像装置と同様の仕組みを利用した物理情報取得装置の一例である撮像装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the imaging device which is an example of the physical information acquisition apparatus using the structure similar to the solid-state imaging device of this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…固体撮像装置、2…単位画素群、3…単位画素、10…画素アレイ部、12…水平走査回路、12a…水平デコーダ、12b…水平駆動部、14…垂直走査回路、14a…垂直デコーダ、14b…垂直駆動部、15…行制御線、18…水平信号線、19…垂直信号線、20…通信・タイミング制御部、24…読出電流源部、25…カラムAD回路、252…電圧比較部、254…カウンタ部、256…データ記憶部、258…スイッチ、26…カラム処理部、27…参照信号生成部、27a…DA変換回路、28…出力回路、32…電荷生成部、34…読出選択用トランジスタ、36…リセットトランジスタ、38…フローティングディフュージョン、40…垂直選択用トランジスタ、42…増幅用トランジスタ、5…画素信号生成部、52…垂直選択線、53…垂直信号線、55…転送配線、56…リセット配線、7…駆動制御部、8…撮像装置、900…カメラ制御部、BF1…転送駆動バッファ、BF2…リセット駆動バッファ、BF3…選択駆動バッファ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid-state imaging device, 2 ... Unit pixel group, 3 ... Unit pixel, 10 ... Pixel array part, 12 ... Horizontal scanning circuit, 12a ... Horizontal decoder, 12b ... Horizontal drive part, 14 ... Vertical scanning circuit, 14a ... Vertical decoder , 14b ... vertical drive unit, 15 ... row control line, 18 ... horizontal signal line, 19 ... vertical signal line, 20 ... communication / timing control unit, 24 ... read current source unit, 25 ... column AD circuit, 252 ... voltage comparison Unit, 254 ... counter unit, 256 ... data storage unit, 258 ... switch, 26 ... column processing unit, 27 ... reference signal generation unit, 27a ... DA conversion circuit, 28 ... output circuit, 32 ... charge generation unit, 34 ... reading Selection transistor, 36 ... reset transistor, 38 ... floating diffusion, 40 ... vertical selection transistor, 42 ... amplification transistor, 5 ... pixel signal generator, 2 ... vertical selection line, 53 ... vertical signal line, 55 ... transfer wiring, 56 ... reset wiring, 7 ... drive control unit, 8 ... imaging device, 900 ... camera control unit, BF1 ... transfer drive buffer, BF2 ... reset drive buffer , BF3: Selection drive buffer

Claims (14)

物理量の変化を電荷によって検知する検知部、前記検知部で検知された電荷を画素信号に変換する画素信号生成部、入力される転送制御電位に基づいて前記検知部で検知された電荷を前記画素信号生成部へ転送する転送部、および入力される初期化制御電位に基づいて前記画素信号生成部の電位を初期化する初期化部を有する単位画素の内の一部の要素を複数の単位画素で共有した構成を持つ単位画素群がマトリクス状に配列された画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の一部の単位画素の画素信号を読み出す間引き読出しモードで前記単位画素を制御する駆動制御部とを備え、
前記駆動制御部は、前記間引き読出しモード時に、読み出される前記単位画素と共有関係にない間引かれる前記単位画素については、前記検知部で溢れる電荷が、当該間引かれる単位画素の前記画素信号生成部側に転送され易い状態となるように、当該間引かれる単位画素の前記転送部に供給する前記転送制御電位であるブルーミング対策電位を制御するとともに、前記読み出される前記単位画素と共有関係にある間引かれる前記単位画素の前記転送部には前記ブルーミング対策電位よりもインアクティブ側の電位を前記転送制御電位として供給するように制御する
ことを特徴とする固体撮像装置。
A detection unit that detects a change in physical quantity by electric charge, a pixel signal generation unit that converts the electric charge detected by the detection unit into a pixel signal, and an electric charge detected by the detection unit based on an input transfer control potential A plurality of unit pixels include some of the unit pixels having a transfer unit that transfers to the signal generation unit and an initialization unit that initializes the potential of the pixel signal generation unit based on the input initialization control potential A pixel array unit in which unit pixel groups having a configuration shared in a matrix are arranged, and
A drive control unit for controlling the unit pixel in a thinning readout mode for reading out pixel signals of some unit pixels of the pixel array unit;
In the thinning readout mode, the drive control unit generates the pixel signal of the unit pixel in which the charges overflowing in the detection unit are thinned out for the unit pixel that is thinned out that is not shared with the unit pixel to be read out The control unit controls the blooming countermeasure potential, which is the transfer control potential supplied to the transfer unit of the thinned unit pixel so that the unit pixel is easily transferred to the unit side, and is in a shared relationship with the read unit pixel. A solid-state imaging device, wherein the transfer unit of the unit pixels to be thinned is controlled to supply a potential on the inactive side with respect to the blooming countermeasure potential as the transfer control potential.
前記駆動制御部は、前記間引かれる前記単位画素を行単位もしくは列単位で設定する
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 drive control unit sets the thinned unit pixels in units of rows or columns.
前記駆動制御部は、前記読み出される前記単位画素が実際に読出しの動作対象画素となる時点に応じて、前記間引かれる単位画素の前記転送部へ供給する前記転送制御電位を、前記ブルーミング対策電位と、当該ブルーミング対策電位よりもインアクティブ側の電位とで、切り替える
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
The drive control unit supplies the transfer control potential supplied to the transfer unit of the unit pixels to be thinned out according to a point in time when the unit pixel to be read is actually a readout operation target pixel. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein switching is performed between a potential on the inactive side with respect to the blooming countermeasure potential.
前記駆動制御部は、読み出される前記単位画素の前記転送部に対してはインアクティブレベルを規定する電位とアクティブレベルを規定する前記転送制御電位で2値駆動するとともに、前記間引かれる単位画素の前記転送部に対しては、前記インアクティブレベルを規定する電位よりも前記アクティブレベル側の電位を前記ブルーミング対策電位として供給する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
The drive control unit performs binary driving with respect to the transfer unit of the unit pixel to be read with a potential that defines an inactive level and the transfer control potential that defines an active level, and the unit pixel to be thinned out. 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a potential on the active level side of a potential defining the inactive level is supplied to the transfer unit as the blooming countermeasure potential.
前記駆動制御部は、読み出される前記単位画素の前記転送部に対してはインアクティブレベルを規定する電位とアクティブレベルを規定する電位とを含む前記転送制御電位で2値駆動するとともに、前記間引かれる単位画素の前記転送部に対しては、前記インアクティブレベルを規定する電位と前記アクティブレベルを規定する電位との間の中間電位を前記ブルーミング対策電位として供給する
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。
The drive control unit performs binary driving with the transfer control potential including a potential that defines an inactive level and a potential that defines an active level for the transfer unit of the unit pixel to be read, and the thinning-out. 5. The intermediate potential between a potential defining the inactive level and a potential defining the active level is supplied to the transfer unit of the unit pixel as the blooming countermeasure potential. The solid-state imaging device described in 1.
前記駆動制御部は、インアクティブレベルを規定する電位、アクティブレベルを規定する電位、および前記インアクティブレベルを規定する電位と前記アクティブレベルを規定する電位との間の少なくとも1つの中間電位を含む前記電位で3値以上で前記単位画素を構成する要素を駆動しており、前記ブルーミング対策電位として当該3値の内の前記中間電位を使用する
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。
The drive control unit includes a potential defining an inactive level, a potential defining an active level, and at least one intermediate potential between a potential defining the inactive level and a potential defining the active level 5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein an element constituting the unit pixel is driven with a potential of three or more and the intermediate potential of the three values is used as the blooming countermeasure potential. .
前記駆動制御部は、前記ブルーミング対策電位の目的以外で、インアクティブレベルを規定する電位、アクティブレベルを規定する電位、および前記インアクティブレベルを規定する電位と前記アクティブレベルを規定する電位との間の少なくとも1つの中間電位を含む前記転送制御電位で3値以上で前記転送部を駆動しており、前記ブルーミング対策電位として当該3値の内の前記中間電位を使用する
ことを特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。
The drive control unit has a potential that defines an inactive level, a potential that defines an active level, and a potential that defines the inactive level and a potential that defines the active level, other than the purpose of the anti-blooming potential. The transfer control potential including at least one intermediate potential is driven with three or more values, and the intermediate potential of the three values is used as the blooming countermeasure potential. 6. The solid-state imaging device according to 6.
前記駆動制御部は、インアクティブレベルを規定する電位、アクティブレベルを規定する電位、および前記インアクティブレベルを規定する電位と前記アクティブレベルを規定する電位との間の少なくとも1つの中間電位を含む前記初期化制御電位で3値以上で前記初期化部を駆動しており、前記ブルーミング対策電位として当該3値の内の前記中間電位を使用する
ことを特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。
The drive control unit includes a potential defining an inactive level, a potential defining an active level, and at least one intermediate potential between a potential defining the inactive level and a potential defining the active level The solid-state imaging device according to claim 6, wherein the initialization unit is driven with three or more initialization control potentials, and the intermediate potential of the three values is used as the blooming countermeasure potential. .
前記駆動制御部は、読み出される前記単位画素の前記転送部に対してはインアクティブレベルを規定する電位とアクティブレベルを規定する電位とを含む前記転送制御電位で2値駆動するとともに、前記間引かれる単位画素の前記転送部に対しては、電位を持たないフローティング状態を前記ブルーミング対策電位として供給する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
The drive control unit performs binary driving with the transfer control potential including a potential that defines an inactive level and a potential that defines an active level for the transfer unit of the unit pixel to be read, and the thinning-out. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a floating state having no potential is supplied as the blooming countermeasure potential to the transfer unit of the unit pixel.
前記駆動制御部は、読み出される前記単位画素の前記転送部に対してはインアクティブレベルを規定する電位とアクティブレベルを規定する前記転送制御電位で2値駆動するとともに、前記間引かれる単位画素の前記転送部に対しては、前記インアクティブレベルを規定する電位を前記ブルーミング対策電位よりもインアクティブ側の電位として供給する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
The drive control unit performs binary driving with respect to the transfer unit of the unit pixel to be read with a potential that defines an inactive level and the transfer control potential that defines an active level, and the unit pixel to be thinned out. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a potential defining the inactivity level is supplied to the transfer unit as a potential on the inactive side with respect to the blooming countermeasure potential.
前記初期化部は、ディプレッション構造のトランジスタを有する
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 initialization unit includes a transistor having a depletion structure.
前記駆動制御部は、前記間引かれる単位画素の前記初期化部を制御して、前記ブルーミング対策電位の前記転送部への供給によって前記画素信号生成部に転送された電荷を排出させる
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
The drive control unit controls the initialization unit of the thinned unit pixel to discharge the charge transferred to the pixel signal generation unit by supplying the anti-blooming potential to the transfer unit. The solid-state imaging device according to claim 1.
物理量の変化を電荷によって検知する検知部、前記検知部で検知された電荷を画素信号に変換する画素信号生成部、入力される転送制御電位に基づいて前記検知部で検知された電荷を前記画素信号生成部へ転送する転送部、および入力される初期化制御電位に基づいて前記画素信号生成部の電位を初期化する初期化部を有する単位画素の内の一部の要素を複数の単位画素で共有した構成を持つ単位画素群がマトリクス状に配列された画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の一部の単位画素の画素信号を読み出す間引き読出しモードで前記単位画素を制御する駆動制御部と、
前記単位画素を制御するための前記制御電位の生成を前記駆動制御部に対して指示する主制御部とを備え、
前記駆動制御部は、前記間引き読出しモード時に、読み出される前記単位画素と共有関係にない間引かれる前記単位画素については、前記検知部で溢れる電荷が、当該間引かれる単位画素の前記画素信号生成部側に転送され易い状態となるように、当該間引かれる単位画素の前記転送部に供給する前記転送制御電位であるブルーミング対策電位を制御するとともに、前記読み出される前記単位画素と共有関係にある間引かれる前記単位画素の前記転送部には前記ブルーミング対策電位よりもインアクティブ側の電位を前記転送制御電位として供給するように制御する
ことを特徴とする撮像装置。
A detection unit that detects a change in physical quantity by electric charge, a pixel signal generation unit that converts the electric charge detected by the detection unit into a pixel signal, and an electric charge detected by the detection unit based on an input transfer control potential A plurality of unit pixels include some of the unit pixels having a transfer unit that transfers to the signal generation unit and an initialization unit that initializes the potential of the pixel signal generation unit based on the input initialization control potential A pixel array unit in which unit pixel groups having a configuration shared in a matrix are arranged, and
A drive control unit for controlling the unit pixels in a thinning-out reading mode for reading out pixel signals of some unit pixels of the pixel array unit;
A main control unit that instructs the drive control unit to generate the control potential for controlling the unit pixel;
In the thinning readout mode, the drive control unit generates the pixel signal of the unit pixel in which the charges overflowing in the detection unit are thinned out for the unit pixel that is thinned out that is not shared with the unit pixel to be read out The control unit controls the blooming countermeasure potential, which is the transfer control potential supplied to the transfer unit of the thinned unit pixel so that the unit pixel is easily transferred to the unit side, and is in a shared relationship with the read unit pixel. An image pickup apparatus, wherein the transfer unit of the unit pixel to be thinned is controlled so as to supply a potential on an inactive side with respect to the blooming countermeasure potential as the transfer control potential.
前記主制御部は、前記駆動制御部を制御して、前記画素アレイ部の全ての単位画素から画素信号を読み出す全画素読出しモードと、前記画素アレイ部の一部の単位画素から画素信号を読み出す間引き読出しモードとを切り替える
ことを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。
The main control unit controls the drive control unit to read out pixel signals from all unit pixels in the pixel array unit, and reads out pixel signals from some unit pixels in the pixel array unit. The imaging apparatus according to claim 13, wherein the thinning readout mode is switched.
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