JP5967915B2

JP5967915B2 - 固体撮像装置の駆動方法

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Publication number: JP5967915B2
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Inventors: 雅章箕輪; 彰沖田; 高橋　秀和; 秀和高橋
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Description

本発明は、固体撮像装置の駆動方法に関する。

固体撮像装置は、２次元アレイ状に配列された画素と画素の光電変換信号を駆動する垂直走査回路、水平走査回路、読み出し回路等から構成される。各画素は、光電変換部、信号電荷を転送するトランジスタ、光電変換部をリセットするためのリセットトランジスタ等から構成される。電荷蓄積動作は、光電変換部を転送トランジスタによりリセットし、転送トランジスタを導通状態から非道通状態へと変化させた時点で開始し、転送トランジスタで光電変換部からＦＤ（フローティングディフュージョン）領域に電荷転送を開始する時点で終了する。この期間を蓄積期間と呼ぶ。光電変換部を完全にリセットできず残留電荷が存在すると、残像やノイズの原因となる。

特許文献１は、リセット動作を行う際には、リセットトランジスタと転送トランジスタの両方を導通させる。リセット動作を開始する際に、まず転送トランジスタを導通させた後、リセットトランジスタを導通させる動作が開示されている。この動作により、光電変換部に残る残留電荷を減らし、残像やノイズを低減する。

特開２０００−２０１３００号公報

デジタルカメラの多画素化、高速化に対応するために、固体撮像装置の画素寸法は年々縮小してきている。それに伴い、電源電圧が低下し、より微細な加工寸法で設計された装置が必要となってくる。画素寸法の微細化に伴い、画素内の素子が互いに近接して配置されるため寄生容量が増大する。前述の特許文献１の方法で光電変換部のリセットを行うと、リセットトランジスタを非道通状態にする際のゲート電圧の変化が前述の寄生容量を介してＦＤ領域の電圧を変化させる結果、残留電荷が増大するという課題が顕著になってきた。これはＦＤ領域の電位の変化が、転送トランジスタによる電荷転送がされにくい方向に作用するためである。

更に、このように電荷転送がされにくい状態では、行方向に延びる転送トランジスタのゲート線の時定数により、転送トランジスタのゲート電極に印加されるパルスの鈍りが残留電荷の量に敏感に影響を与える。ゲート線に印加されるパルスの鈍りは、転送線上の位置により異なるため、ノイズ出力が画面の水平方向に沿って傾斜する。固体撮像装置の水平走査方向と平行な方向にグラデーションを持った、ノイズ出力波形を「水平シェーディング」と呼ぶこととする。この水平シェーディングは、撮影した画像の暗部、及び被写体輝度が低い部分で特に無視できない形で現れるため、このようなシェーディングを低減させることが望まれている。

本発明の目的は、リセットの不完全性に起因した水平シェーディングを低減することができる固体撮像装置の駆動方法を提供することである。

本発明の固体撮像装置の駆動方法は、２次元に配列され、光電変換により信号を生成する複数の画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記複数の画素の各々は、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、フローティングディフュージョン部と、前記光電変換により生成された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部に転送された電荷に基づく信号を増幅する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタにより増幅された信号の読み出しを制御する選択トランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の電圧をリセットするリセットトランジスタとを有し、前記選択トランジスタを非導通状態に、前記転送トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタ及び前記選択トランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とすることにより、前記光電変換部の電荷をリセットする第１のステップと、前記第１のステップの後であって前記転送トランジスタ及び前記選択トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とすることにより、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する第２のステップと、を有し、前記第２のステップで転送された電荷に基づく信号を前記増幅トランジスタで増幅した信号を、前記選択トランジスタを介して出力することを特徴とする。

光電変換部をリセットした後に転送トランジスタを非導通状態にした時のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）の電位と、光電変換部の電荷をＦＤ部に転送した後に転送トランジスタを非導通状態にした時のＦＤ部の電位を同程度とすることができる。これにより、戻り電子の影響を相殺させることができ、画質を悪化させる原因である水平シェーディングを低減することができる。

第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。比較例の駆動タイミングチャートである。第１の実施形態の駆動タイミングチャートである。第２の実施形態の駆動タイミングチャートである。第３の実施形態の駆動タイミングチャートである。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態によるＣＭＯＳ型固体撮像装置の構成例を示す図である。複数の画素１０１は、２次元行列状に配列され、光電変換により信号を生成する。複数の画素１０１の各々は、光電変換部１０２、転送トランジスタ１０３、フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）１０４、増幅トランジスタ１０５、リセットトランジスタ１０６、選択トランジスタ１０７を有する。光電変換部１０２は、光電変換により電荷を生成する。ＦＤ部１０４は、電荷を電圧に変換する。転送トランジスタ１０３は、光電変換部１０２の電荷をＦＤ部１０４に転送する。増幅トランジスタ１０５は、ＦＤ部１０４に転送された電荷に基づく信号を増幅して出力する。リセットトランジスタ１０６は、ＦＤ部１０４の電圧をリセットする。また、画素１０１には、画素１０１を駆動するための駆動線１０８〜１１０が接続されている。垂直走査回路１１７から駆動線１０８〜１１０へ駆動信号が入力される。光電変換部１０２は、光電変換により信号電荷を生成及び蓄積する。光電変換部１０２に蓄積された信号電荷はＦＤ部１０４で電圧に変換される。ＦＤ部１０４に転送された電荷に基づく信号は増幅トランジスタ１０５により増幅された後、垂直出力線１１１に出力され、列回路１１３で処理された後、列メモリ１１４にサンプリングされる。電流源１１２は、垂直出力線１１１に接続される。列メモリ１１４に書き込まれた信号は、水平走査回路１１５により順次、最終段のアンプ１１６に送られ、増幅された後、出力される。列回路１１３としては、増幅回路、ノイズ低減回路、アナログデジタル変換回路などを含み得る。

本実施形態の特徴と構成を明らかにするために、図１の回路を駆動する比較例のタイミングチャートを以下に示す。

図２は、比較例の画素の駆動信号と、ＦＤ部１０４の電位と、信号のサンプリングタイミングを示した駆動タイミングチャートである。φ１０８〜φ１１０は、それぞれ図１の駆動線１０８〜１１０に入力される駆動信号である。サンプリングタイミングは、例えば、図１の列メモリにおいて、信号がサンプリングされるタイミングである。ノイズ読み出しと記載されている部分は、画素ノイズや列回路を有する場合には列回路のノイズの場合もある。

まず、時刻Ｔ２０１において、駆動信号φ１０８とφ１１０がローレベルにあり、駆動信号φ１０９がハイレベルにある。このとき、転送トランジスタ１０３と選択トランジスタ１０７は非導通となっており、リセットトランジスタ１０６が導通している。ここで、画素の電源電圧をＶｄ、駆動信号φ１０９のハイレベルの電位をＶｈ、リセットトランジスタ１０６の閾値電圧をＶｔｈ＿ｒｅｓとする。すると、これらの電位の間に、次式（１）の関係が成り立っているとき、リセットトランジスタ１０６は３極管領域で動作しており、時刻Ｔ２０１におけるＦＤ部１０４の電位はＶｄとなる。式（１）が成り立っている状態をハードリセットの状態と呼ぶことにする。
Ｖｄ＜Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ・・・（１）

一方、次式（２）の関係が成り立っているとき、リセットトランジスタ１０６は飽和領域で動作しており、時刻Ｔ２０１におけるＦＤ部１０４の電位はＶｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓとなる。式（２）が成り立っている状態をソフトリセットの状態と呼ぶことにする。
Ｖｄ＞Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ・・・（２）

時刻Ｔ２０２において、駆動信号φ１０８をハイレベルとし、転送トランジスタ１０６を導通させる。リセットトランジスタ１０６を導通させた状態で転送トランジスタ１０３を導通させることにより、光電変換部１０２は信号電荷の蓄積開始前にリセットされ、残像やノイズの原因となる残留電荷を減らすことができる。このとき、転送トランジスタ１０３のゲートとＦＤ部１０４は、転送トランジスタ１０３のゲートとソース間容量で容量結合しており、駆動信号φ１０８をローレベルからハイレベルに振り上げた際にＦＤ部１０４の電位もΔ１だけ振り上げられる。このことにより、ハードリセットの場合、ＦＤ部１０４の電位はＶｄ＋Δ１となる。

次式（３）が成り立つ場合、リセットトランジスタ１０６は３極管領域で動作しており、Ｖｄ＋Δ１に振り上げられたＦＤ部１０４の電位は、すぐにＶｄに戻る。
Ｖｄ＋Δ１＜Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ・・・（３）

次式（４）が成り立つ場合、リセットトランジスタ１０６は飽和領域で動作し、ＦＤ部１０４の電位は図２のハードリセットの場合に示したように緩やかにＶｄまで低下する。
Ｖｄ＋Δ１＞Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ・・・（４）

一方、ソフトリセットの場合、時刻Ｔ２０２においてＦＤ部１０４の電位は、Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ＋Δ１に振り上げられる。このことにより、リセットトランジスタ１０６はオフし、ＦＤ部１０４の電位はＶｔｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ＋Δ１に保たれる。

時刻Ｔ２０３において、駆動信号φ１０８をローレベルとし、光電変換部１０２のリセットを終了する。駆動信号φ１０８をハイレベルからローレベルに振り下げたことで、転送トランジスタ１０３のゲートとカップリングしているＦＤ部１０４の電位はΔ１だけ振り下げられる。このことにより、ハードリセットの場合、ＦＤ部１０４の電位は瞬間的にＶｄ−Δ１まで低下した後、すぐにＶｄに復帰する。ソフトリセットの場合、ＦＤ部１０４の電位はＶｄ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓに戻る。

時刻Ｔ２０４において、駆動信号φ１１０がハイレベルとなり、読み出し行の選択トランジスタ１０７が導通状態となる。

時刻Ｔ２０５において、駆動信号φ１０９がローレベルとなり、リセットトランジスタ１０６がオフする。ＦＤ部１０４はリセットトランジスタ１０６のゲートとカップリングしており、駆動信号φ１０９をハイレベルからローレベルに振り下げることで、ＦＤ部１０４の電位１０４はΔ２だけ振り下げられる。ハードリセットの場合、ＦＤ部１０４の電位はＶｄ−Δ２となり、ソフトリセットの場合、ＦＤ部１０４の電位はＶｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２となる。転送トランジスタがＮ型のトランジスタの場合、駆動信号φ１０８のローレベルの電位は、光電変換部１０２からＦＤ部１０４への信号電荷のリークを防ぐために負電位となっていることが多い。そのため、駆動信号φ１０８のローレベルとハイレベルの電位差の方が駆動信号φ１０９のローレベルとハイレベルの電位差よりも大きく、カップリングによるＦＤ部１０４の電位の振り下げ量Δ１とΔ２の間に、Δ１＞Δ２の関係が成り立つ。

時刻Ｔ２０６において、リセットトランジスタ１０６をオフした状態で転送トランジスタ１０３をオンし、光電変換部１０２からＦＤ部１０４へ信号電荷の転送を行う。時刻Ｔ２０３〜Ｔ２０６の期間が信号電荷の蓄積期間である。ＦＤ部１０４の電位は駆動信号φ１０８が振り上げられることにより、Δ１だけ振り上がる。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合、Ｖｄ−Δ２＋Δ１（＞Ｖｄ）となり、ソフトリセットの場合、Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２＋Δ１（＞Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ）となる。

図２においては、蓄積期間中に光電変換部１０２への光の入射がないとしている。そのため、光電変換部１０２に信号電荷が蓄積されていないため、光電変換部１０２からＦＤ部１０４への電荷の転送もないと仮定している。

時刻Ｔ２０７において、駆動信号φ１０８をローレベルとし、転送トランジスタ１０３が非導通となり、光電変換部１０２からＦＤ部１０４への信号電荷の転送が終了する。駆動信号φ１０８が振り下げられることに応じてＦＤ部１０４の電位がΔ１だけ振り下げられ、ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ−Δ２、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２となる。

時刻Ｔ２０８において、駆動信号φ１０９がハイレベルとなり、リセットトランジスタ１０６が導通する。駆動信号φ１０９が振り上がることによりＦＤ部１０４の電位はΔ２だけ振り上がり、ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓとなる。

時刻Ｔ２０９において、駆動信号φ１１０がローレベルとなり、選択トランジスタ１０７が非導通となり、行選択が解除される。

時刻Ｔ２０５とＴ２０６の間にノイズの読み出しが行われ、時刻Ｔ２０７とＴ２０８の間で信号＋ノイズの読み出しが行われる。アンプ１１６が両者の引き算を行うことによりノイズを除去し、信号だけを読み出すことができる。

注目すべきことは、ハードリセットの場合もソフトリセットの場合も、転送トランジスタ１０３が非導通となるタイミングである時刻Ｔ２０３と時刻Ｔ２０７において、ＦＤ部１０４の電位が異なっている点である。

転送トランジスタ１０３を非導通とする際には、転送トランジスタ１０３のゲートの下に存在する電子の一部がＦＤ部１０４へ転送されず、光電変換部１０２に戻るという現象が生じる。この転送トランジスタ１０３を非導通とする際に光電変換部１０２へ戻る電子を、戻り電子と呼ぶことにする。光電変換部１０２をリセットした後に転送トランジスタ１０３を非導通とする時刻Ｔ２０３における戻り電子の数をＮ＿ｒｅｓとし、信号電荷を転送した後に転送トランジスタ１０３を非導通とする時刻Ｔ２０７における戻り電子の数をＮ＿ｔｒとする。時刻Ｔ２０３において、転送トランジスタ１０３を非導通とした後には、光電変換部１０２にＮ＿ｒｅｓの戻り電子が存在する。時刻Ｔ２０６において、転送トランジスタ１０３を導通することで光電変換部１０２に存在するＮ＿ｒｅｓの電子がＦＤ部１０４に転送される。その後、時刻Ｔ２０７において、転送トランジスタ１０３を非導通とする際に、Ｎ＿ｒｅｓ個の電子の内、Ｎ＿ｔｒ個が光電変換部１０２に戻る。そのため、戻り電子が発生している場合、信号電荷がない場合にも、次式（５）の電子Ｎが偽信号として読み出されることになる。なお、図２に示したＦＤ部１０４の電位には戻り電子の影響は考慮されていないが、戻り電子によるＦＤ部１０４の電位の変化は、Δ１やΔ２に比べて十分小さい。
Ｎ＝Ｎ＿ｒｅｓ−Ｎ＿ｔｒ・・・（５）

ＦＤ部１０４の電位が低いほど、転送トランジスタ１０３のゲート下の電子は光電変換部１０２へ戻りやすい。すなわち、戻り電子の数が多くなるという性質がある。図２によると、ハードリセットの場合、時刻Ｔ２０３において転送トランジスタ１０３を非導通とする直前のＦＤ部１０４の電位はＶｄであり、時刻Ｔ２０７において転送トランジスタ１０３をオフする直前のＦＤ部１０４の電位はＶｄ−Δ２＋Δ１（＞Ｖｄ）である。したがって、Ｎ＿ｒｅｓ＞Ｎ＿ｔｒとなり、式（５）においてＮ＞０となる。一方、ソフトリセットの場合、時刻Ｔ２０３において、転送トランジスタ１０３を非導通とする直前のＦＤ部１０４の電位はＶｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ＋Δ１である。時刻Ｔ２０７において、転送トランジスタ１０３を非導通とする直前のＦＤ部１０４の電位はＶｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２＋Δ１（＜Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ＋Δ１）である。したがって、Ｎ＿ｒｅｓ＜Ｎ＿ｔｒとなり、式（５）においてＮ＜０となる。

さらに、転送トランジスタ１０３を非導通とする際の駆動信号φ１０８の立ち下がりが急峻であるほど戻り電子数は多くなり、駆動信号φ１０８の立ち下がりが緩やかであるほど戻り電子数は少なくなるという性質がある。図１のように、駆動信号φ１０８を供給する垂直走査回路１１７が画素１０１の領域の左側にある場合、垂直走査回路１１７に近い画面左寄りの画素１０１に供給される駆動信号φ１０８の立ち下がりは急峻である。しかし、垂直走査回路１１７から遠い画面右寄りの画素１０１に供給される駆動信号φ１０８の立ち下がりは、駆動線１０８の抵抗及び寄生容量によって鈍り、緩やかになる。このことにより、式（５）のＮの絶対値｜Ｎ｜は、画面左ほど大きく、画面右ほど小さい。ハードリセットの場合、Ｎ＞０であり、かつ、｜Ｎ｜は画面左ほど大きいことから、画面左ほど出力が大きい水平方向のシェーディングが発生する。ソフトリセットの場合、Ｎ＜０であり、かつ、｜Ｎ｜は画面左ほど大きいことから、画面左ほど出力が小さい水平方向のシェーディングが発生する。

これらの水平シェーディングは、式（５）においてＮ＝０とならないことから生じる。光電変換部１０２に強い光が入射し、式（５）のＮが無視できるほど多数の信号電荷が発生する場合には目立たない。しかしながら、Ｎが無視できない程度の信号電荷しか発生しない低照度の環境下において、図１の列アンプ１１３で高いゲインをかけて撮像する場合に、大きく画質を劣化させる要因となる。

以上のように、「水平シェーディング」の発生原因を簡潔にまとめると以下の２点となる。
（１）転送終了時と、リセット終了時に、それぞれ転送トランジスタ１０３を非導通とする際のＦＤ部１０４の電位が異なることが偽信号の原因となる。
（２）転送トランジスタ１０３を非導通とする際の駆動信号φ１０８のパルスの立ち下がりの傾きが偽信号量に影響しており、その傾きが水平方向で異なるため偽信号量が水平方向で異なってしまう。

図３は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示す駆動タイミングチャートである。図２に示した駆動方法と異なるのは、時刻Ｔ３０２〜Ｔ３０５の期間に駆動信号φ１０９をローレベルとし、蓄積開始前に光電変換部１０２をリセットする時刻Ｔ３０３〜Ｔ３０４の期間にリセットトランジスタ１０６を非導通としている点である。

時刻Ｔ３０１において、駆動信号φ１０８とφ１１０がローレベルの電圧にあり、駆動信号φ１０９がハイレベルの電圧にある。転送トランジスタ１０３と選択トランジスタ１０７が非導通状態になっている状態で、リセットトランジスタ１０６を導通状態にすることにより、ＦＤ部１０４をリセットする。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの時はＶｄであり、ソフトリセットの時はＶｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓである。

その後、時刻Ｔ３０２において、駆動信号φ１０９をローレベルとし、リセットトランジスタ１０６を非導通とする。これにより、ＦＤ部１０４の電位はΔ２だけ振り下げられ、ハードリセットの時はＶｄ−Δ２となり、ソフトリセットの時はＶｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２となる。

その後、時刻Ｔ３０３において、駆動信号φ１０８をハイレベルとし、リセットトランジスタ１０６の非導通状態で、転送トランジスタ１０３を導通状態にすることにより、光電変換部１０２のリセットを開始する。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ−Δ２＋Δ１、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２＋Δ１に振り上げられる。リセットトランジスタ１０６が非導通となっているため、ＦＤ部１０４の電位はこのまま保持される。なお、図３では水平シェーディングが顕著となる、光がわずかにしか入射しない場合のＦＤ部１０４の電位を図示している。時刻Ｔ３０３の時点で光電変換部１０２に電子はほとんど蓄積されておらず、電子が光電変換部１０２からＦＤ部１０４に転送されることによるＦＤ部１０４の電位の変化は無視している。

その後、時刻Ｔ３０４において、駆動信号φ１０８をローレベルとし、光電変換部１０２のリセットを終了する。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ−Δ２、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２に振り下げられる。

その後、時刻Ｔ３０５において、駆動信号φ１０９をハイレベルとすることで、転送トランジスタ１０３の非導通状態で、リセットトランジスタ１０６を導通状態にすることにより、ＦＤ部１０４をリセットする。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓとなる。

時刻Ｔ３０６〜Ｔ３１１の駆動信号の電位は、図２の時刻Ｔ２０４〜Ｔ２０９の駆動信号の電位と全く同じである。時刻Ｔ３０８において、リセットトランジスタ１０６の非導通状態で、転送トランジスタ１０３を導通状態にすることにより、光電変換部１０２の電荷をＦＤ部１０４に転送する。

蓄積開始前に光電変換部１０２をリセットした後に転送トランジスタ１０３を非導通とする際の時刻Ｔ３０４でのＦＤ部１０４の電位と、信号電荷を転送した後に転送トランジスタ１０３を非導通とする際の時刻Ｔ３０９でのＦＤ部１０４の電位を同程度にできる。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ−Δ２＋Δ１、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２＋Δ１となる。このことにより、リセットの際の戻り電子と信号電荷の転送の際の戻り電子の影響が打ち消し合い、式（５）においてＮ＝０とすることができるため、水平シェーディングを低減することができる。

なお、図３においてはリセットを１回しか行っていないが、複数回行ってもよい。また、本実施形態で「リセット」と述べた動作は、全行を同時刻にリセット終了させる、所謂「グローバルリセット」、及びリセットから読み出しまでの時間を全行で同時間にするために行毎のリセット終了を時間的にずらす「ローリングリセット」のいずれでもよい。また、本実施形態の「リセット」動作は、必要であればこれらの混合など、さまざまな動作を指している。あくまでもリセット終了時のＦＤ部１０４の電位の状態が重要であり、各行でどのようにリセットを終了させるかの時間の前後関係に本実施形態の効果は依存しない。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示す駆動タイミングチャートである。時刻Ｔ４０１〜Ｔ４０４の駆動信号の電位は、図２の時刻Ｔ２０１〜Ｔ２０４の駆動信号の電位と全く同じである。また、時刻Ｔ４０４〜Ｔ４１３の駆動信号の電位は、図３の時刻Ｔ３０２〜Ｔ３１１の駆動信号の電位と全く同じである。

本実施形態は、蓄積開始前に光電変換部１０２のリセットを２回以上行い、蓄積開始前最後のリセットをリセットトランジスタ１０６が非導通となった状態で行い、それ以外の少なくとも１回のリセットをリセットトランジスタ１０６が導通した状態で行う。図４においては、蓄積開始前に２回のリセットを行い、１回目のリセットをリセットトランジスタ１０６が導通した状態で行い、２回目のリセットをリセットトランジスタ１０６が非導通の状態で行っている。時刻Ｔ４０３（Ｔ３０１）の前に、時刻Ｔ４０２〜Ｔ４０３において、駆動信号φ１０８及びφ１０９をハイレベルにする。これにより、リセットトランジスタ１０６の導通状態で、転送トランジスタ１０３を導通状態にすることにより、光電変換部１０２をリセットする。

時刻Ｔ４０２の１回目のリセットをリセットトランジスタ１０６が導通した状態で行う。これにより、光電変換部１０２に強い光が照射されている場合にも、１回目のリセットの時点でほとんどすべての余剰電荷をリセットトランジスタ１０６のドレインに排出することができる。そのため、最終リセットの終了時のＦＤ部１０４の電位の変化は、第１の実施形態と同様に無視できる。

また、式（５）で示した偽信号として読み出される電子の数は、Ｎ＝Ｎ＿ｒｅｓ＿２−Ｎ＿ｔｒである。ここで、Ｎ＿ｒｅｓ＿２は蓄積開始直前の２回目のリセット後に転送トランジスタ１０３を非導通とする際の時刻Ｔ４０６における戻り電子数であり、Ｎ＿ｔｒは信号電荷転送後に転送トランジスタ１０３を非導通とする際の時刻Ｔ４１１での戻り電子数である。

図４の駆動によると、時刻Ｔ４０６におけるＦＤ部１０４の電位と時刻Ｔ４１１におけるＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合もソフトリセットの場合も同程度であるから、Ｎ＝０とすることができる。図４の駆動方法によると、強い光が照射された場合の残像及びノイズの問題と、光がほとんど照射されていない場合の水平シェーディングの問題を同時に解決することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示す駆動タイミングチャートである。第３の実施形態では、信号電荷の蓄積開始前にリセットトランジスタ１０６が導通した状態で転送トランジスタ１０３を導通させ、光電変換部１０２のリセットを開始する。そして、リセットトランジスタ１０６を非導通とした後に転送トランジスタ１０３を非導通としてリセットを終了する。

時刻Ｔ５０１において、駆動信号φ１０９をハイレベルの電位とし、転送トランジスタ１０３の非導通状態で、リセットトランジスタ１０６を導通状態にすることにより、ＦＤ部１０４をリセットする。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓとなる。

その後、時刻Ｔ５０２において、駆動信号φ１０８をハイレベルとし、リセットトランジスタ１０６の導通状態で、転送トランジスタ１０３を導通状態にすることにより、光電変換部１０２のリセットを開始する。ハードリセットの場合、ＦＤ部１０４の電位はＶｄ＋Δ１まで振り上がった後、リセットトランジスタ１０６が導通しているため、Ｖｄに戻る。ソフトリセットの場合、ＦＤ部１０４の電位はＶｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ＋Δ１に振り上がった後、リセットトランジスタ１０６がオフするため、ＦＤ部１０４の電位はそのまま保持される。図５においては、光電変換部１０２に光がわずかにしか入射しておらず、転送トランジスタ１０３を導通させた際にＦＤ部１０４へ転送される電子のＦＤ部１０４の電位への影響は無視できる程度の場合を想定している。

その後、時刻Ｔ５０３において、駆動信号φ１０９をローレベルとし、リセットトランジスタ１０６の非導通状態で転送トランジスタ１０３を導通状態にする。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ−Δ２、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ＋Δ１−Δ２まで振り下がり、そのまま保持される。

その後、時刻Ｔ５０４において、駆動信号φ１０８をローレベルとし、転送トランジスタ１０３を非導通とし、光電変換部１０２のリセットを終了する。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ−Δ２−Δ１、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２まで振り下げられる。

その後、時刻Ｔ５０５において、駆動信号φ１１０をハイレベルとし、読み出す行の選択トランジスタ１０７を導通させる。

その後、時刻Ｔ５０６において、駆動信号φ１０８をハイレベルとし、リセットトランジスタ１０６の非導通状態で、転送トランジスタ１０３を導通状態にすることにより、光電変換部１０２の電荷をＦＤ部１０４に転送する。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ−Δ２、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２＋Δ１に振り上げられる。ここで、光電変換部１０２に蓄積された電荷の転送によるＦＤ部１０４の電位の変化は無視している。

その後、時刻Ｔ５０７において、駆動信号φ１０８をローレベルとし、転送トランジスタ１０３を非導通とし、信号電荷の転送を終了する。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ−Δ２−Δ１、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２となる。

その後、時刻Ｔ５０８において、駆動信号φ１１０をローレベルとし、選択トランジスタ１０７を非導通とし、行選択を解除する。

時刻Ｔ５０５とＴ５０６の間でノイズの読み出しを行い、時刻Ｔ５０７とＴ５０８の間で信号＋ノイズの読み出しを行う。アンプ１１６が両者の引き算を行うことによりノイズを除去し、信号のみを読み出すことが可能である。

蓄積開始前に光電変換部１０２をリセットした後に転送トランジスタ１０３を非導通とする際の時刻Ｔ５０４でのＦＤ部１０４の電位と、信号電荷を転送した後に転送トランジスタ１０３を非導通とする際の時刻Ｔ５０７でのＦＤ部１０４の電位は同程度である。ＦＤ部１０４の電位は、ハードリセットの場合Ｖｄ−Δ２、ソフトリセットの場合Ｖｈ−Ｖｔｈ＿ｒｅｓ−Δ２＋Δ１である。このことにより、式（５）においてＮ＝０となり、水平シェーディングは低減できる。

また、時刻Ｔ５０２の時点で光電変換部１０２に多くの電荷が蓄積されている場合にも、時刻Ｔ５０２〜Ｔ５０３のリセットトランジスタ１０６と転送トランジスタ１０３がともに導通している期間に光電変換部１０２を完全にリセットすることができる。そのため、蓄積開始前に光電変換部１０２に残留電荷が残ることによる残像やノイズの課題も軽減できる。

なお、図５においては、蓄積開始前に光電変換部１０２のリセットを１度しか行っていないが、複数回行ってもよい。また、蓄積開始前最後の光電変換部１０２のリセットは図５に示した方法で行えばよく、それ以前にリセットトランジスタ１０６が導通した状態で転送トランジスタ１０３を導通状態と非導通状態間を遷移するリセットを行ってもよい。また、リセットトランジスタ１０６を非導通とした状態で転送トランジスタ１０３を導通と非導通状態を遷移するリセットを行ってもよい。

第１〜第３の実施形態によれば、光電変換部をリセットした後に転送トランジスタを非導通状態にした時のＦＤ部の電位と、光電変換部の電荷をＦＤ部に転送した後に転送トランジスタを非導通状態にした時のＦＤ部の電位を同程度とすることができる。これにより、戻り電子の影響を相殺させることができ、画質を悪化させる原因である水平シェーディング（暗時出力不均一性）を低減することができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

例えば実施形態においては信号電荷を電子として説明したがホールを用いてもよい。この場合には各半導体領域の導電型が反対導電型になり、制御線に供給される電圧の大小関係が逆転する。

１０１画素、１０２光電変換部、１０３転送トランジスタ、１０４フローティングディフュージョン部、１０５増幅トランジスタ、１０６リセットトランジスタ、１０７選択トランジスタ

Claims

２次元に配列され、光電変換により信号を生成する複数の画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の画素の各々は、
光電変換により電荷を生成する光電変換部と、
フローティングディフュージョン部と、
前記光電変換により生成された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部に転送された電荷に基づく信号を増幅する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタにより増幅された信号の読み出しを制御する選択トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部の電圧をリセットするリセットトランジスタとを有し、
前記選択トランジスタを非導通状態に、前記転送トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタ及び前記選択トランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とすることにより、前記光電変換部の電荷をリセットする第１のステップと、
前記第１のステップの後であって前記転送トランジスタ及び前記選択トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とすることにより、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する第２のステップと、を有し、
前記第２のステップで転送された電荷に基づく信号を前記増幅トランジスタで増幅した信号を、前記選択トランジスタを介して出力することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
２次元に配列され、光電変換により信号を生成する複数の画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の画素の各々は、
光電変換により電荷を生成する光電変換部と、
フローティングディフュージョン部と、
前記光電変換により生成された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部に転送された電荷に基づく信号を増幅する増幅トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部の電圧をリセットするリセットトランジスタとを有し、
前記リセットトランジスタが導通状態のときに前記転送トランジスタを導通状態にすることにより、前記光電変換部の電荷をリセットするステップと、
前記転送トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とすることにより、前記光電変換部の電荷をリセットする第１のステップと、
前記第１のステップの後であって前記転送トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とすることにより、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する第２のステップと、を有し、
前記第２のステップで転送された電荷に基づく信号を前記増幅トランジスタで増幅し出力することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
２次元に配列され、光電変換により信号を生成する複数の画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の画素の各々は、
光電変換により電荷を生成する光電変換部と、
フローティングディフュージョン部と、
前記光電変換により生成された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部に転送された電荷に基づく信号を増幅する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタにより増幅された信号の読み出しを制御する選択トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部の電圧をリセットするリセットトランジスタとを有し、
前記選択トランジスタを非導通状態に、前記転送トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタ及び前記選択トランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とする第１のステップと、
前記第１のステップの後であって前記転送トランジスタ及び前記選択トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とする第２のステップと、を有し、
前記第２のステップの後に、前記増幅トランジスタから出力された信号をサンプリングすることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
２次元に配列され、光電変換により信号を生成する複数の画素を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の画素の各々は、
光電変換により電荷を生成する光電変換部と、
フローティングディフュージョン部と、
前記光電変換により生成された電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部に転送された電荷に基づく信号を増幅する増幅トランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部の電圧をリセットするリセットトランジスタとを有し、
前記リセットトランジスタが導通状態のときに前記転送トランジスタを導通状態にすることにより、前記光電変換部の電荷をリセットするステップと、
前記転送トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とする第１のステップと、
前記第１のステップの後であって前記転送トランジスタを導通状態にした後、前記リセットトランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを非導通状態とする第２のステップと、を有し、
前記第２のステップの後に、前記増幅トランジスタから出力された信号をサンプリングすることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
さらに、前記第１のステップの後かつ前記第２のステップの前に、前記転送トランジスタが非導通状態のときに前記リセットトランジスタを導通状態にすることにより、前記フローティングディフュージョン部の電荷をリセットするステップを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記第１のステップにおいて、前記リセットトランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを導通状態にすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記第１のステップにおける、前記転送トランジスタを非導通状態とする動作により、蓄積時間を開始し、
前記第２のステップにおける、前記転送トランジスタを導通状態とする動作により、前記蓄積時間を終了することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記第１のステップにおいて、前記リセットトランジスタが導通状態のときに、前記転送トランジスタを導通状態にすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記第１のステップの後かつ前記第２のステップの前に、前記フローティングディフュージョン部の電荷をリセットした際のノイズに基づく信号を前記増幅トランジスタで増幅して出力することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記第２のステップにおいて、前記リセットトランジスタが非導通状態のときに、前記転送トランジスタを導通状態にすることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記第１のステップにおける、前記転送トランジスタを非導通状態とする動作により、蓄積時間を開始し、
前記第２のステップにおける、前記転送トランジスタを導通状態とする動作により、前記蓄積時間を終了することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記第１のステップの前に前記転送トランジスタを導通状態とする前記転送トランジスタの駆動電位と、前記第２のステップの前に前記転送トランジスタを導通状態とする前記転送トランジスタの駆動電位は等しいことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。
前記第１のステップにおいて前記転送トランジスタが非導通状態となるまで前記転送トランジスタが導通状態だった間に前記フローティングディフュージョン部に転送された電荷に基づく信号は、読み出されないことを特徴とする請求項１〜８及び１０〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置の駆動方法。