JP6480768B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

特許文献１には、画素信号を増幅して出力する演算増幅器を、必要な期間だけ動作してそれ以外の期間は非動作にすることで、演算増幅器の動作による発熱、ホットキャリア発生及びその再結合による発光を低減する技術が開示されている。

特開２００５−２１７７７１号公報

しかしながら、特許文献１には、演算増幅器の非動作時におけるホットキャリア発光対策は示されているが、演算増幅器の動作時におけるホットキャリア発光対策は示されていなかった。また、一般的に、画素のソースフォロワ回路を構成する電流源用のトランジスタのソース−ドレイン間には高電圧が印加されるため、電界集中によるホットキャリアが光電変換素子に流入してノイズ成分となり、画質が劣化することがあった。また、このホットキャリアの再結合による発光がノイズの原因となることもあった。

本発明の目的は、ホットキャリアに起因する画質の劣化を抑制しうる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、光電変換素子と、前記光電変換素子により生成された電荷が転送される蓄積部と、前記蓄積部を４．０５Ｖ以上の電源電圧でリセットするリセット部と、前記蓄積部に蓄積された前記電荷の量に応じた信号を増幅して出力する増幅トランジスタと、を有する画素と、前記画素に接続され、前記増幅トランジスタにより増幅された前記信号が出力される垂直出力線と、前記垂直出力線に所定の定電流を流すための電流源回路であって、前記垂直出力線に接続された第３のトランジスタと、前記第３のトランジスタに直列に接続された第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタに直列に接続された第１のトランジスタとを有する電流源回路と、前記第１のトランジスタ、前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタのそれぞれのドレイン−ソース間の電圧が１．７５Ｖ以下になるように、前記第１のトランジスタのゲート電圧を第１の電圧に、前記第２のトランジスタのゲート電圧を前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧に、前記第３のトランジスタのゲート電圧を前記第２の電圧よりも大きく前記電源電圧よりも小さい第３の電圧に設定する電圧設定回路とを有することを特徴とする固体撮像装置が提供される。

また、本発明の他の一観点によれば、光電変換素子と、前記光電変換素子により生成された電荷が転送される蓄積部と、前記蓄積部を４．０５Ｖ以上の電源電圧でリセットするリセット部と、前記蓄積部に蓄積された前記電荷の量に応じた信号を増幅して出力する増幅トランジスタと、を有する画素と、前記画素に接続され、前記増幅トランジスタにより増幅された前記信号が出力される垂直出力線と、前記垂直出力線に接続された電流源回路と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記電流源回路は、前記垂直出力線に接続された第３のトランジスタと、前記第３のトランジスタに直列に接続された第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタに直列に接続された第１のトランジスタとを有し、前記画素から前記信号を読み出す際に、前記第１のトランジスタ、前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタのそれぞれのドレイン−ソース間の電圧が１．７５Ｖ以下になるように、前記第１のトランジスタのゲート電圧を第１の電圧に、前記第２のトランジスタのゲート電圧を前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧に、前記第３のトランジスタのゲート電圧を前記第２の電圧よりも大きく前記電源電圧よりも小さい第３の電圧に、それぞれ設定することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法が提供される。

本発明によれば、垂直出力線に接続される電流源回路のトランジスタにおいて発生するホットキャリアに起因する画質の劣化を抑制することができる。

本発明の第１実施形態による固体撮像装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の画素及び画素電流源回路の回路構成を示す図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の駆動方法における動作タイミングを示す図である。 トランジスタにおける基板電流のゲート−ソース間電圧依存性の一例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の画素及び画素電流源回路の回路構成を示す図である。 本発明の第４実施形態による撮像システムの構成例を示す概略図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態による固体撮像装置の全体構成を示す概略図である。図２は、本実施形態による固体撮像装置の画素及び画素電流源回路の回路構成を示す図である。図３は、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法における動作タイミングを示す図である。図４は、トランジスタにおける基板電流のゲート−ソース間電圧依存性の一例を示すグラフである。

はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態による固体撮像装置は、図１に示すように、撮像領域１、行選択回路５、タイミングジェネレータ６、画素電流源回路７、列回路８及び水平走査回路９を有している。撮像領域１には、水平方向（行方向）及び垂直方向（列方向）に沿って２次元状に複数の画素２が配列されている。撮像領域１に配列された画素２の各列には、列方向に延在する垂直出力線３がそれぞれ配置されている。垂直出力線３は、列方向に並ぶ画素２に共通の信号線をなしている。垂直出力線３は、画素定電流回路７及び列回路８に接続されている。列回路８には、水平走査回路９が接続されている。また、撮像領域１に配列された画素２の各行には、行方向に延在する画素駆動信号線４がそれぞれ配置されている。画素駆動信号線４は、行方向に並ぶ画素２に共通の信号線をなしている。画素駆動信号線４は、行選択回路５に接続されている。

行選択回路５、画素電流源回路７、列回路８及び水平走査回路９には、タイミングジェネレータ６が接続されている。これにより、タイミングジェネレータ６により制御される所定の動作タイミングで、行選択回路５から画素駆動信号線４へ所定の画素駆動信号を出力し、画素２からの出力信号を行単位で順次、垂直出力線３を介して列回路８へ出力できるようになっている。また、タイミングジェネレータ６により制御される所定の動作タイミングで、水平走査回路９から列回路８へ所定の駆動信号を出力し、列回路８にて増幅し保持されている画素信号を順次外部へ出力できるようになっている。

それぞれの画素２は、図２に示すように、フォトダイオード（以下、「ＰＤ」と表記する）１１、転送トランジスタ１２、リセットトランジスタ１３、増幅トランジスタ１４及び選択トランジスタ１５を有している。ＰＤ１１のアノードは接地電圧線に接続され、ＰＤ１１のカソードは転送トランジスタ１２のソースに接続されている。転送トランジスタ１２のドレインは、リセットトランジスタ１３のソース及び増幅トランジスタ１４のゲートに接続されている。転送トランジスタ１２のドレイン、リセットトランジスタ１３のソース及び増幅トランジスタ１４のゲートの接続ノードは、フローティングディフュージョン（以下、「ＦＤ」と表記する）１６を構成している。図２においてＦＤ１６は、転送トランジスタ１２のドレイン、リセットトランジスタ１３のソース及び増幅トランジスタ１４のゲートの接続ノードと接地電圧線との間に接続された容量素子で表している。リセットトランジスタ１３及び増幅トランジスタ１４のドレインは、電源電圧線１０に接続されている。増幅トランジスタ１４のソースは、選択トランジスタ１５のドレインに接続されている。選択トランジスタ１５のソースは、垂直出力線３に接続されている。

ＰＤ１１は、入射した光の量に応じた信号電荷を生成する光電変換部である。転送トランジスタ１２は、ＰＤ１１において生成され蓄積されている電荷をＦＤ１６に転送するためのものである。ＦＤ１６は、信号の読み出しの際にＰＤ１１から転送される電荷を蓄積する蓄積部である。リセットトランジスタ１３は、ＦＤ１６の電位をリセットする際に用いられるものである。本明細書において、リセットトランジスタ１３は、リセット部と呼ぶこともある。増幅トランジスタ１４は、ＦＤ１６に蓄積された電荷の量に応じた信号を増幅して出力するためのものである。選択トランジスタ１５は、読み出す画素２の選択、すなわち、増幅トランジスタ１４の出力と垂直出力線３との間の接続を制御するためのものである。ここで、増幅トランジスタ１４はディプリーション型のＮＭＯＳトランジスタであり、その他のトランジスタはエンハンスメント型のＮＭＯＳトランジスタである。

それぞれの画素駆動信号線４は、転送ゲート信号線ＴＸ、リセット信号線ＲＥＳ及び行選択信号線ＳＥＬ（いずれも不図示）を含む。転送ゲート信号線ＴＸは、行選択回路５から画素２に転送ゲート信号ＰＴＸを出力するためのものであり、対応する画素２の転送トランジスタ１２のゲートに接続される。リセット信号線ＲＥＳは、行選択回路５から画素２にリセット信号ＰＲＥＳ出力するためのものであり、対応する画素２のリセットトランジスタ１３のゲートに接続される。行選択信号線ＳＥＬは、行選択回路５から画素２に行選択信号ＰＳＥＬを出力するためのものであり、対応する画素２の選択トランジスタ１５のゲートに接続される。

画素電流源回路７は、図２に示すように、第１のトランジスタ１７と、第２のトランジスタ１８と、第３のトランジスタ１９とを含む。図２には、画素電流源回路７のうち、一の列の垂直出力線３に接続された部分のみを示している。第１のトランジスタ１７は、垂直出力線３に流す定電流を規定する電流源を構成するトランジスタである。第２のトランジスタ１８及び第３のトランジスタ１９は、主に、垂直出力線３の電圧によらず、第１のトランジスタ１７のドレイン−ソース間電圧を一定に保持し、第１のトランジスタ１７の電流源としての動作を確保するためのものである。第３のトランジスタ１９は、増幅トランジスタ１４を必要な期間のみ動作し、それ以外の期間は非動作にするオン／オフ切り替え用スイッチとしての役割も兼ね備えている。第１のトランジスタ１７、第２のトランジスタ１８及び第３のトランジスタ１９は、接地電圧線と垂直出力線３との間に、この順番で直列に接続されている。すなわち、第１のトランジスタ１７のソースは、接地電圧線に接続されている。第２のトランジスタ１８のソースは、第１のトランジスタ１７のドレインに接続されている。第３のトランジスタ１９のソースは、第２のトランジスタ１８のドレインに接続されている。第３のトランジスタ１９のドレインは、垂直出力線３に接続されている。第１のトランジスタ１７のゲート、第２のトランジスタ１８のゲート及び第３のトランジスタ１９のゲートには、これらゲートに所定の電圧を印加するための電圧設定回路２０が接続されている。図２において、電圧Ｖｄｓ１は第１のトランジスタ１７のドレイン−ソース間電圧を示し、電圧Ｖｄｓ２は第２のトランジスタ１８のドレイン−ソース間電圧を示し、電圧Ｖｄｓ３は第３のトランジスタ１９のドレイン−ソース間電圧を示している。

次に、本実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図２及び図３を用いて説明する。図３は、撮像領域１のうちの一の行に属する複数の画素２の読み出しを行う際の動作タイミングを示したタイミングチャートである。各行について同様の読み出し動作を順次行うことにより、撮像領域１内の総ての画素２から画素信号の読み出しを行うことができる。図３中、信号ＰＳＡＶＥは、第３のトランジスタ１９を増幅トランジスタ１４のオン／オフ切り替え用スイッチとして用いる際の動作タイミングを表している。すなわち、信号ＰＳＡＶＥがローレベルのとき、第３のトランジスタ１９はオン状態に制御され、信号ＰＳＡＶＥがハイレベルのとき、第３のトランジスタ１９はオフ状態に制御される。

まず、時刻ｔ１までの期間において、行選択回路５から、ローレベルの行選択信号ＰＳＥＬ、ハイレベルのリセット信号ＰＲＥＳ、ローレベルの転送ゲート信号ＰＴＸが出力されているものとする。すなわち、当該行は選択されておらず、選択トランジスタ１５はオフ状態になっている。また、リセットトランジスタ１３はオン状態になっており、電源電圧線１０とＦＤ１６とはリセットトランジスタ１３を介して接続されている。これにより、ＦＤ１６は、電源電圧に応じた所定のリセット電圧にリセットされている。また、転送トランジスタ１２はオフ状態になっており、ＰＤ１１とＦＤ１６とは切り離されている。これにより、ＰＤ１１はフローティング状態になっており、ＰＤ１１には光電変換によって生成された電荷が蓄積されている。また、信号ＰＳＡＶＥはローレベルであり、第３のトランジスタ１９はオン状態になっている。

次いで、時刻ｔ１において、行選択回路５により、行選択信号ＰＳＥＬをローレベルからハイレベルへと遷移し、行を選択する。これにより、選択トランジスタ１５がオン状態となり、増幅トランジスタ１４と垂直出力線３とが選択トランジスタ１５を介して接続される。

次いで、時刻ｔ２において、行選択回路５により、リセット信号ＰＲＥＳをハイレベルからローレベルへと遷移する。これにより、リセットトランジスタ１３がオフ状態となり、ＦＤ１６は電源電圧線１０から切り離され、ＦＤ１６、すなわち増幅トランジスタ１４のゲートはフローティング状態となる。

次いで、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間において、列回路８は、垂直出力線３に出力されている画素２からの出力信号を取り込む。すなわち、この期間において信号ＰＳＡＶＥはローレベルであり、画素定電流回路７はオン状態である。このため、増幅トランジスタ１４は、垂直出力線３及び選択トランジスタ１５を介して画素定電流回路７からソースにバイアス電流が供給された状態であり、ソースフォロワ回路を構成している。これにより、垂直出力線３には、ＦＤ１６のリセット電圧に応じたレベルの信号（以下、「Ｎ信号」と表記する）が増幅トランジスタ１４により増幅されて、選択トランジスタ１５を介して出力される。垂直出力線３に出力されたＮ信号は、列回路８に取り込まれ、列回路８において保持される。

次いで、時刻ｔ３において、行選択回路５により、転送ゲート信号ＰＴＸをローレベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ１２がオン状態となり、ＰＤ１１とＦＤ１６とが転送トランジスタ１２を介して接続され、ＰＤ１１に蓄積されていた電荷がＦＤ１６へと転送される。

次いで、時刻ｔ４において、行選択回路５により、転送ゲート信号ＰＴＸをハイレベルからローレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ１２がオフ状態となり、ＰＤ１１とＦＤ１６とが切り離される。

次いで、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間において、列回路８は、垂直出力線３に出力されている画素２からの出力信号を取り込む。すなわち、この期間において信号ＰＳＡＶＥはローレベルであり、画素定電流回路７はオン状態である。このため、増幅トランジスタ１４は、垂直出力線３及び選択トランジスタ１５を介して画素定電流回路７からソースにバイアス電流が供給された状態であり、ソースフォロワ回路を構成している。これにより、垂直出力線３には、ＰＤ１１からＦＤ１６へ転送された信号電荷の量に応じたレベルの信号（以下、「Ｓ信号」と表記する）が増幅トランジスタ１４により増幅されて、選択トランジスタ１５を介して出力される。垂直出力線３に出力されたＳ信号は、列回路８に取り込まれ、列回路８において保持される。

次いで、時刻ｔ５において、信号ＰＳＡＶＥがハイレベルとされ、第３のトランジスタ１９がオフ状態となる。これにより、増幅トランジスタ１４が、電流源を構成する第１のトランジスタ１７から切り離される。つまり、信号を読み出す期間以外の画素定電流回路７の不使用期間中は、画素定電流回路７を非動作の状態にする。その結果、電流源を構成する第１のトランジスタ１７が動作することによる発熱やホットキャリアの発生を抑制することができる。

次いで、列回路８に保持されている各列のＮ信号及びＳ信号は、Ｓ信号レベルからＮ信号レベルを差し引いた後、水平走査回路９によって、列毎に外部回路へと出力される。

この後、時刻ｔ６において、行選択回路５により、行選択信号ＰＳＥＬをハイレベルからローレベルへと遷移して行の選択を解除し、当該行の読み出し動作を完了する。

垂直出力線３に接続されている、画素電流源回路７を構成する第１のトランジスタ１７、第２のトランジスタ１８及び第３のトランジスタ１９は、画素２のＰＤ１１の近傍に配置されている。したがって、上述の読み出し動作時にこれらトランジスタのソース−ドレイン間に高電圧が印加されると、電界集中により生じたホットキャリアがＰＤ１１に流入してノイズ成分となり、画質を劣化する虞がある。また、このホットキャリアの再結合による発光がノイズの原因となることもある。特に、図１において、撮像領域１内の斜線を付した領域１Ａは画素定電流回路７に隣接しており、領域１Ａ内の画素はホットキャリアの発生によって画質が劣化する虞がある。画素電流源回路７を撮像領域１の上部にも配置した場合には、撮像領域１の上部側の画素２もホットキャリアによる画質劣化の影響を受けることになる。

以下に、ホットキャリアによる画質劣化が発生する電圧条件の一例を述べる。ホットキャリアが発生しやすい状態は、垂直出力線３が高い電位にあるとき、すなわち、図３で示す時刻ｔ１〜時刻ｔ３の期間、及び、光照射が行われなかった場合の時刻ｔ３〜時刻ｔ５の期間である。

ここで、各トランジスタが電源電圧５Ｖでの動作を想定したトランジスタ（５Ｖ系トランジスタ）であり、電源電圧線１０の電圧が４．５Ｖである場合を想定し、垂直出力線３に出力される最も高い電圧を考える。なお、ここで想定している４．５Ｖは、５Ｖ系トランジスタの動作保証電圧の下限値の典型例である。

時刻ｔ１〜時刻ｔ３の期間において、増幅トランジスタ１４のゲートには、リセットトランジスタ１３のドレイン−ソース間電圧を約０．１Ｖとすると、約４．４Ｖの電圧が印加されている。ここで、増幅トランジスタ１４のゲート−ソース間電圧を１．２Ｖ、選択トランジスタ１５のドレイン−ソース間電圧を約０．１Ｖとすると、垂直出力線３、すなわち、第３のトランジスタ１９のドレイン電圧は、３．１Ｖとなる。

電流源を構成する第１のトランジスタ１７は、定電流特性を確保するために、ゲートに０．８Ｖを印加するとともに、ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ１を０．８Ｖに維持するものとする。第１のトランジスタ１７のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ１は、第２のトランジスタ１８のゲート電圧により制御することができる。例えば、第２のトランジスタ１８のゲート−ソース間電圧が１．２Ｖの場合、第２のトランジスタ１８のゲートには２．０Ｖを印加する。

第３のトランジスタ１９を増幅トランジスタ１４のオン／オフ切り替えスイッチとして動作する場合、第３のトランジスタ１９のゲートには、電源電圧と同じ電圧である４．５Ｖが印加される。この場合、第３のトランジスタ１９のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ３は、約０．１Ｖとなる。したがって、第２のトランジスタ１８のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ２は、２．２Ｖとなる。

図４は、第２のトランジスタ１８及び第３のトランジスタ１９に相当する５Ｖ系ＮＭＯＳトランジスタのゲート−ソース間電圧と基板電流との関係の一例を示すグラフである。図４のＥ＾ｎは、１０のｎ乗を示している。つまり、１．０Ｅ−６は、１０の−６乗に１．０を乗じたものを示す。図４において、横軸はトランジスタのゲート−ソース間の電圧を示し、縦軸はシリコン基板に流れる電流（基板電流）を示している。図４には、トランジスタのドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓが異なる場合の複数の特性を示している。

図４に示すように、基板電流は、トランジスタのドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓが増加するほどに大きくなる。上記の例において、ドレイン−ソース間に２．２Ｖが印加されている第２のトランジスタ１８の場合、基板電流のピーク値は、図４より、１．０×１０^−９［Ａ］から１．０×１０^−８［Ａ］の間にあるものと考えられる。ホットキャリアによる画質劣化が顕著になるのは、過去の知見より、１．０×１０^−９［Ａ］よりも大きな基板電流が流れた場合であることが分かっている。つまり、上記例の条件では、ホットキャリアの影響により画質が劣化する虞がある。ホットキャリアの影響を抑制するためには、基板電流値のばらつき等をも考慮すると、図４より、基板電流の値を１．０×１０^−１０［Ａ］よりも小さくすることが望ましい。つまり、上述の５Ｖ系ＮＭＯＳトランジスタの場合、垂直出力線３に接続されているトランジスタのドレイン−ソース間の電圧を１．７５Ｖ以下にすることが、ホットキャリアの影響を抑制するためには有効である。

そこで、本実施形態の駆動方法では、第３のトランジスタ１９を、電源電圧で駆動する単なるスイッチとして動作するのではなく、定電流動作するときの様にゲート電圧を電源電圧よりも低い所定の電圧に制御する。より具体的には、第２のトランジスタ１８のゲート電圧を第１のトランジスタ１７のゲート電圧よりも高く、第３のトランジスタ１９のゲート電圧を第２のトランジスタ１８のゲート電圧よりも高く且つ電源電圧よりも低い電圧に制御する。そしてこれによって、トランジスタ１７，１８，１９のドレイン−ソース間の電圧を、１．７５Ｖ以下に抑制する。

例えば、第２のトランジスタ１８のドレイン−ソース間電圧が、定電流特性を確保するために約１．０Ｖとなる様に、第３のトランジスタ１９のゲート電圧を制御する。第３のトランジスタ１９のゲート−ソース間電圧が１．２Ｖならば、第３のトランジスタ１９のゲートには３．０Ｖを印加する。この場合、第３のトランジスタ１９のドレイン−ソース間電圧は１．３Ｖとなり、垂直出力線３に接続されるトランジスタ１７，１８，１９のドレイン−ソース間電圧を１．７５Ｖ以下に抑制することが可能となる。これにより、ホットキャリアに起因する画質劣化を抑制することができる。

なお、上述の例では、第２のトランジスタ１８のドレイン−ソース間電圧は、電源電圧線１０の電圧が４．０５Ｖを越える電圧であるときに、１．７５Ｖよりも大きくなる可能性がある。したがって、電源電圧線１０の電圧が例えば３．３Ｖの場合、垂直出力線３に接続されたトランジスタ１７，１８，１９の電圧の関係は以下のようになり、ホットキャリアに起因する画質劣化の影響はない。

時刻ｔ１〜時刻ｔ３の期間において、増幅トランジスタ１４のゲートには、リセットトランジスタ１３のドレイン−ソース間電圧を約０．１Ｖとすると、約３．２Ｖの電圧が印加されている。ここで、増幅トランジスタ１４のゲート−ソース間電圧を１．２Ｖ、選択トランジスタ１５のドレイン−ソース間電圧を約０．１Ｖとすると、垂直出力線３、すなわち、第３のトランジスタ１９のドレイン電圧は、１．９Ｖとなる。

電流源を構成する第１のトランジスタ１７は、定電流特性を確保するために、ゲートに０．８Ｖを印加するとともに、ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ１を０．８Ｖに維持するものとする。第１のトランジスタ１７のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ１は、第２のトランジスタ１８のゲート電圧により制御することができる。例えば、第２のトランジスタ１８のゲート−ソース間電圧が１．２Ｖの場合、第２のトランジスタ１８のゲートには２．０Ｖを印加する。

第３のトランジスタ１９を増幅トランジスタ１４のオン／オフ切り替えスイッチとして動作する場合、第３のトランジスタ１９のゲートには、電源電圧と同じ電圧である３．３Ｖが印加される。この場合、第３のトランジスタ１９のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ３は、約０．１Ｖとなる。したがって、第２のトランジスタ１８のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ２は約１．０Ｖとなるので、基板電流は１．０×１０^−１０［Ａ］以下となり、画質劣化の影響はない。

以上説明したように、リセット電圧である電源電圧線１０の電圧が４．０５Ｖ以上の場合、ホットキャリアに起因する画質劣化が生じる虞があるため、第３のトランジスタ１９のゲート電圧を電源電圧線１０の電圧よりも低い電圧に設定することが望ましい。これにより、第３のトランジスタ１９のソース電圧の増加を制御し、垂直出力線３に接続されている各トランジスタのドレイン−ソース間の電圧を１．７５Ｖ以下に低減し、ホットキャリアの影響による画質の劣化を抑制することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による固体撮像装置及びその駆動方法について、図５を用いて説明する。図１乃至図４に示す第１実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図５は、本実施形態による固体撮像装置の画素及び定電流回路の回路構成を示す図である。

本実施形態による固体撮像装置は、図５に示すように、画素電流源回路７の回路構成が異なるほかは、図１及び図２に示す第１実施形態による固体撮像装置と同じである。すなわち、本実施形態による固体撮像装置の画素電流源回路７は、垂直出力線３と第３のトランジスタ１９との間に、第４のトランジスタ２０を更に有している。第４のトランジスタ２１は、ソースが第３のトランジスタ１９のドレインに接続され、ドレインが垂直出力線３に接続されている。

図５において、電圧Ｖｄｓ１は、電流源を構成する第１のトランジスタ１７のドレイン−ソース間電圧を示している。電圧Ｖｄｓ２は、第２のトランジスタ１８のドレイン−ソース間電圧を示している。電圧Ｖｄｓ３は、第３のトランジスタ１９のドレイン−ソース間電圧を示している。電圧Ｖｄｓ４は、第４のトランジスタ２１のドレイン−ソース間電圧を示している。また、画素定電流回路７の各トランジスタのゲートには、電圧設定回路２０から所定の電圧が印加される。

本実施形態による固体撮像装置においても、第１実施形態の場合と同様に、第４のトランジスタ２０のゲート電圧をリセット電圧である電源電圧線１０の電圧よりも低い電圧にし、第４のトランジスタ２１のソース電圧を制御する。これにより、画素電流源回路７を構成する第１のトランジスタ１７、第２のトランジスタ１８、第３のトランジスタ１９、第４のトランジスタ２０、それぞれのソース−ドレイン間電圧を１．７５Ｖ以下に抑えることが可能となる。その結果、ホットキャリア発光による画質劣化を抑制することができる。

なお、本実施形態では、垂直出力線３に接続されているトランジスタの数を１つ増加して４つとしたが、トランジスタの数を１以上増やした場合にも同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による固体撮像装置の駆動方法について、図１及び図２を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１及び第２実施形態による固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

本実施形態では、図１及び図２に示す第１実施形態による固体撮像装置の他の駆動方法について説明する。

本実施形態による固体撮像装置の駆動方法は、固体撮像装置の撮像感度（ＩＳＯ感度）の設定に応じて第３のトランジスタ１９のゲート電圧を切り替えるものである。

すなわち、固体撮像装置のＩＳＯ感度の設定値を低い値に設定したときには、ゲインが低くホットキャリア発光による画質劣化の影響が小さい。そこで、第３のトランジスタ１９のゲート電圧をリセット電圧である電源電圧線１０の電圧と同じ電圧に設定し、第３のトランジスタ１９をスイッチング動作する。これにより、垂直出力線３に読み出される増幅トランジスタ１４の出力のダイナミックレンジを拡げることが可能となる。

一方、固体撮像装置のＩＳＯ感度の設定値を高い値に設定したときには、ゲインが高くホットキャリア発光による画質劣化の影響が顕著になる。そこで、第３のトランジスタ１９のゲート電圧をリセット電圧である電源電圧線１０の電圧よりも低い電圧に設定し、第３のトランジスタ１９のソース電圧を制御する。これにより、画素電流源回路７を構成する第１のトランジスタ１７、第２のトランジスタ１８、第３のトランジスタ１９、それぞれのドレイン−ソース間電圧を１．７５Ｖ以下に抑えることが可能となる。その結果、ホットキャリア発光による画質劣化を抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、ＩＳＯ感度設定値に応じて第３のトランジスタのゲート電圧を制御するので、ホットキャリア発光による画質劣化を抑制しつつ、低ＩＳＯ感度設定時にはダイナミックレンジを広げることができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像システムについて、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態による撮像システムの構成例を示す概略図である。

上記の各実施形態で述べた撮像装置は、種々の撮像システムに適用可能である。撮像システムの一例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラなどが挙げられる。図６に、撮像システムの一例として、上述した実施形態のいずれかの撮像装置をデジタルスチルカメラに適用した場合の構成例を示す。

図６に例示した本実施形態による撮像システム１００は、固体撮像装置１０１、レンズ１０３、絞り１０４、バリア１０２、出力信号処理部１０５を有している。レンズ１０３は、被写体の光学像を固体撮像装置１０１に結像させるためのものである。絞り１０４は、レンズ１０３を通過する光量を可変にするためのものである。レンズ１０３及び絞り１０４は、固体撮像装置１０１に光を集光する光学系である。バリア１０２は、レンズ１０３の保護のためのものである。固体撮像装置１０１は、上述した実施形態のいずれかの固体撮像装置である。

図６に例示した撮像システム１００は、さらに、出力信号処理部１０５を有する。出力信号処理部１０５は、固体撮像装置１０１より出力される出力信号の処理を行うためのものである。出力信号処理部１０５は、固体撮像装置１０１が出力する信号に基づいて画像を生成する。具体的には、出力信号処理部１０５は、その他、必要に応じて、各種の補正及び圧縮を行って、画像データを出力する。出力信号処理部１０５は、固体撮像装置１０１が出力する信号を用いて焦点検出を行う機能を備えていてもよい。

図６に例示した撮像システム１００は、さらに、バッファメモリ部１０８、記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）１０９、外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）１１０、記録媒体１１１を有している。バッファメモリ部１０８は、出力信号処理部１０５から出力される画像データを一時的に記憶するためのものである。外部Ｉ／Ｆ部１１０は、外部コンピュータ等と通信するためのものである。記録媒体１１１は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等である。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１０９は、記録媒体１１１に記録又は読み出しを行うためのものである。なお、記録媒体１１１は、撮像システムに内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

図６に例示した撮像システム１００は、さらに、全体制御・演算部１０７及びタイミング発生部１０６を有している。全体制御・演算部１０７は、デジタルスチルカメラ全体の制御や各種演算を実行するためのものである。タイミング発生部１０６は、固体撮像装置１０１や出力信号処理部１０５に各種タイミング信号を出力するためのものである。ここで、タイミング信号などは、外部から入力されてもよく、撮像システム１００は少なくとも固体撮像装置１０１と、固体撮像装置１０１から出力された出力信号を処理する出力信号処理部１０５とを有していればよい。

このようにして、第１乃至第３実施形態による固体撮像装置を適用した撮像システムを構成することにより、ホットキャリア発光による画質劣化を抑制した良質の画像を取得しうる撮像システムを実現することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、図２及び図５に示す画素２の回路構成は、一例を示したものであり、画素２の回路構成は図２及び図５に示すものに限定されるものではない。画素２は、少なくとも、光電変換素子と、光電変換素子により生成された電荷が転送される蓄積部と、蓄積部をリセットするリセット部と、蓄積部に蓄積された電荷の量に応じた信号を増幅して出力する増幅トランジスタとを有していればよい。

また、上記実施形態に示した画素電流源回路７の駆動電圧は、典型的なデバイス構造において本発明者等が取得した図４等のデータに基づき設定したものであるが、上述した数値は必ずしも臨界的な値を示すものではない可能性もある。本発明は、画素電流源回路７を構成する各トランジスタのドレイン−ソース間の電圧がホットキャリア発光を生じない電圧になるように、これらトランジスタのゲート電圧を電源電圧よりも低い値に設定することを一つの目的とするものである。この目的に沿うものであれば、画素電流源回路７の駆動電圧は、必ずしも上記実施形態に記載のものに限定されるものではない。

また、上記第３実施形態では、第１実施形態の固体撮像装置においてＩＳＯ感度の設定値に応じて第３のトランジスタのゲート電圧を制御する駆動方法を示したが、第２実施形態の固体撮像装置において同様の駆動方法を実施してもよい。

また、第４実施形態に示した撮像システムは、本発明の固体撮像装置を適用しうる撮像システムの一例を示したものであり、本発明の固体撮像装置を適用可能な撮像システムは図６に示した構成に限定されるものではない。

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。

１ 撮像領域
２ 画素
３ 垂直出力線
６ タイミングジェネレータ
７ 画素電流源回路
１１ フォトダイオード（ＰＤ）
１４ 増幅トランジスタ
１６ フローティングディフュ−ジョン（ＦＤ）
１７ 第１のトランジスタ
１８ 第２のトランジスタ
１９ 第３のトランジスタ
２０ 電圧設定回路
２１ 第４のトランジスタ
ＰＳＡＶＥ 画素電流源のオン／オフ切り替え用の制御信号
Ｖｄｓ１ 第１のトランジスタのドレイン−ソース間電圧
Ｖｄｓ２ 第２のトランジスタのドレイン−ソース間電圧
Ｖｄｓ３ 第３のトランジスタのドレイン−ソース間電圧
Ｖｄｓ４ 第４のトランジスタのドレイン−ソース間電圧

Claims (8)

1. 光電変換素子と、前記光電変換素子により生成された電荷が転送される蓄積部と、前記蓄積部を４．０５Ｖ以上の電源電圧でリセットするリセット部と、前記蓄積部に蓄積された前記電荷の量に応じた信号を増幅して出力する増幅トランジスタと、を有する画素と、
   前記画素に接続され、前記増幅トランジスタにより増幅された前記信号が出力される垂直出力線と、
   前記垂直出力線に所定の定電流を流すための電流源回路であって、前記垂直出力線に接続された第３のトランジスタと、前記第３のトランジスタに直列に接続された第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタに直列に接続された第１のトランジスタとを有する電流源回路と、
   前記第１のトランジスタ、前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタのそれぞれのドレイン−ソース間の電圧が１．７５Ｖ以下になるように、前記第１のトランジスタのゲート電圧を第１の電圧に、前記第２のトランジスタのゲート電圧を前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧に、前記第３のトランジスタのゲート電圧を前記第２の電圧よりも大きく前記電源電圧よりも小さい第３の電圧に設定する電圧設定回路と
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記電圧設定回路は、前記電流源回路の不使用期間に、前記第３のトランジスタの前記ゲート電圧を、前記第３のトランジスタをオフ状態にする第４の電圧に設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記電圧設定回路は、ＩＳＯ感度が第１の設定値のとき、前記第３のトランジスタの前記ゲート電圧を前記第３の電圧に設定し、前記ＩＳＯ感度の設定値が前記第１の設定値よりも低い第２の設定値のとき、前記第３のトランジスタの前記ゲート電圧を前記第３の電圧よりも高い第５の電圧に設定する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記電圧設定回路は、前記垂直出力線の電圧によらず、前記第１のトランジスタにより前記所定の定電流が流れるように、前記第１の電圧及び前記第２の電圧を設定する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記電流源回路は、前記第１のトランジスタ、前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタに直列に接続される１以上の他のトランジスタを更に有する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 光電変換素子と、前記光電変換素子により生成された電荷が転送される蓄積部と、前記蓄積部を電源電圧でリセットするリセット部と、前記蓄積部に蓄積された前記電荷の量に応じた信号を増幅して出力する増幅トランジスタと、を有する画素と、
   前記画素に接続され、前記増幅トランジスタにより増幅された前記信号が出力される垂直出力線と、
   前記垂直出力線に所定の定電流を流すための電流源回路であって、前記垂直出力線に接続された第３のトランジスタと、前記第３のトランジスタに直列に接続された第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタに直列に接続された第１のトランジスタとを有する電流源回路と、
   前記第１のトランジスタ、前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタのそれぞれのドレイン−ソース間の電圧によってホットキャリアが生じないように、前記第１のトランジスタのゲート電圧を第１の電圧に、前記第２のトランジスタのゲート電圧を前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧に、前記第３のトランジスタのゲート電圧を前記第２の電圧よりも大きく前記電源電圧よりも小さい第３の電圧に設定する電圧設定回路と
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
7. 光電変換素子と、前記光電変換素子により生成された電荷が転送される蓄積部と、前記蓄積部を４．０５Ｖ以上の電源電圧でリセットするリセット部と、前記蓄積部に蓄積された前記電荷の量に応じた信号を増幅して出力する増幅トランジスタと、を有する画素と、前記画素に接続され、前記増幅トランジスタにより増幅された前記信号が出力される垂直出力線と、前記垂直出力線に接続された電流源回路と、を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記電流源回路は、前記垂直出力線に接続された第３のトランジスタと、前記第３のトランジスタに直列に接続された第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタに直列に接続された第１のトランジスタとを有し、
   前記画素から前記信号を読み出す際に、前記第１のトランジスタ、前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタのそれぞれのドレイン−ソース間の電圧が１．７５Ｖ以下になるように、前記第１のトランジスタのゲート電圧を第１の電圧に、前記第２のトランジスタのゲート電圧を前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧に、前記第３のトランジスタのゲート電圧を前記第２の電圧よりも大きく前記電源電圧よりも小さい第３の電圧に、それぞれ設定する
   ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置が出力する信号を用いて画像を生成する信号処理部と
   を有することを特徴とする撮像システム。

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