JP6541513B2 - Imaging device and imaging system - Google Patents

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Description

本発明は、撮像装置、および、撮像システムに関する。   The present invention relates to an imaging device and an imaging system.

近年、CMOSイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタを行うことが提案されている。特許文献1、および、特許文献2に記載された撮像装置には、動きの速い被写体を撮影する場合でも被写体像がゆがまないという利点がある。   In recent years, it has been proposed to perform a global electronic shutter in a CMOS image sensor. The imaging devices described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have an advantage that the subject image is not distorted even when shooting a fast-moving subject.

特開2004−111590号公報Japanese Patent Application Publication No. 2004-111590

特許文献1に記載の撮像装置は、1つの画像、あるいは、1フレームを得るための光電変換によって生じた電荷の全部を光電変換部に蓄積している。その後、全画素同時に、光電変換部から保持部に電荷を転送し、次の画像、あるいは、次のフレームを得るための光電変換を開始している。そのため、画素の飽和電荷量を増やすためには、光電変換部の飽和電荷量と保持部の飽和電荷量との両方をほぼ同じ大きさで確保しなければならない。光電変換部の飽和電荷量を大きくするとその面積が増加する。したがって、画素サイズが大きくなるという課題がある。   The imaging device described in Patent Document 1 stores, in a photoelectric conversion unit, all the charges generated by photoelectric conversion for obtaining one image or one frame. After that, the charge is transferred from the photoelectric conversion unit to the holding unit at the same time for all the pixels, and photoelectric conversion for obtaining the next image or the next frame is started. Therefore, in order to increase the saturation charge amount of the pixel, it is necessary to secure both the saturation charge amount of the photoelectric conversion portion and the saturation charge amount of the holding portion with substantially the same magnitude. When the saturation charge amount of the photoelectric conversion portion is increased, the area is increased. Therefore, there is a problem that the pixel size is increased.

以上に説明した通り、従来の技術では、画素の飽和電荷量を大きくすることが困難であった。上記の課題に鑑み、本発明は、グローバル電子シャッタを行うことができる撮像装置において、画素の飽和電荷量を向上させつつ、画素のサイズを小さくすることを目的とする。   As described above, in the prior art, it is difficult to increase the saturation charge amount of the pixel. In view of the above problems, the present invention aims to reduce the size of a pixel while improving the saturation charge amount of the pixel in an imaging device capable of performing a global electronic shutter.

本発明の1つの側面に係る実施形態は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第1の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第2の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、第1の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、前記第1の時刻から第2の時刻まで、前記複数の画素の前記第1の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記第1の時刻から前記第2の時刻までの第1の期間に、前記複数の画素の前記光電変換部が前記第1の期間に生じた電荷を蓄積し、前記第2の時刻から第3の時刻までの第2の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記保持部が、前記光電変換部において前記第1の期間に生じた電荷、および、前記光電変換部において前記第2の期間に生じた電荷を保持し、前記第3の時刻に、前記複数の画素の前記第1の転送スイッチがオンからオフに制御され、前記光電変換部の飽和電荷量A1、前記光電変換部の空乏化電圧と前記保持部の空乏化電圧との差によって規定される前記保持部の飽和電荷量A2、前記第1の期間P1、前記第2の期間P2が、所定の関係を満たす、ことを特徴とする。   An embodiment according to one aspect of the present invention includes a photoelectric conversion unit that stores charge generated by incident light, a holding unit that holds the charge, an amplification unit that outputs a signal based on the charge, and the photoelectric unit. A plurality of pixels each having a first transfer switch for transferring the charge from the conversion unit to the holding unit, and a second transfer switch for transferring the charge from the holding unit to the amplification unit; The photoelectric conversion units of the plurality of pixels start to store the charge at a first time, and the first time The first transfer switch of the plurality of pixels is kept off from the second time to the second time, and the first transfer switch of the plurality of pixels is in the first period from the first time to the second time. The photoelectric conversion unit is generated in the first period Load is stored, and at least a part of the second period from the second time to the third time, the holding portion of the plurality of pixels is generated in the first period in the photoelectric conversion portion The charge and the charge generated in the second period in the photoelectric conversion unit are held, and at the third time, the first transfer switch of the plurality of pixels is controlled from on to off, and the photoelectric conversion unit Saturation charge amount A1 of the conversion unit, saturation charge amount A2 of the holding unit defined by the difference between the depletion voltage of the photoelectric conversion unit and the depletion voltage of the holding unit, the first period P1, the second period Period P2 satisfies the predetermined relation.

本発明の別の側面に係る実施形態は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第1の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第2の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、第1の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、前記第1の時刻から第2の時刻まで、前記複数の画素の前記第1の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記第1の時刻から前記第2の時刻までの第1の期間に、前記複数の画素の前記光電変換部が前記第1の期間に生じた電荷を蓄積し、前記第2の時刻から第3の時刻までの第2の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記保持部が、前記光電変換部において前記第1の期間に生じた電荷、および、前記光電変換部において前記第2の期間に生じた電荷を保持し、前記第3の時刻に、前記複数の画素の前記第1の転送スイッチがオンからオフに制御され、前記光電変換部の飽和電荷量A1、入射光量に対して前記増幅部の出力が線形に変化する範囲で前記保持部に保持される電荷量A2、前記第1の期間P1、前記第2の期間P2が、所定の関係を満たす、ことを特徴とする。   An embodiment according to another aspect of the present invention is a photoelectric conversion unit that stores charge generated by incident light, a holding unit that holds the charge, an amplification unit that outputs a signal based on the charge, and the photoelectric unit. A plurality of pixels each having a first transfer switch for transferring the charge from the conversion unit to the holding unit, and a second transfer switch for transferring the charge from the holding unit to the amplification unit; The photoelectric conversion units of the plurality of pixels start to store the charge at a first time, and the first time The first transfer switch of the plurality of pixels is kept off from the second time to the second time, and the first transfer switch of the plurality of pixels is in the first period from the first time to the second time. The photoelectric conversion unit generates electricity during the first period. Are stored, and at least a part of the second period from the second time to the third time, the charges generated in the first period in the photoelectric conversion portion by the holding portions of the plurality of pixels. And the charge generated in the second period in the photoelectric conversion unit is held, and at the third time, the first transfer switches of the plurality of pixels are controlled from on to off, and the photoelectric conversion is performed. Saturation charge amount A1 of the portion, charge amount A2 held by the holding portion within a range in which the output of the amplification portion changes linearly with respect to incident light amount, the first period P1, and the second period P2 A predetermined relationship is satisfied.

本発明によれば、飽和電荷量を向上しつつ、画素のサイズを小さくすることができる。   According to the present invention, the size of the pixel can be reduced while improving the saturation charge amount.

撮像装置の等価回路を表す図である。It is a figure showing the equivalent circuit of an imaging device. 撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。It is a figure which represents the cross-section of an imaging device typically. 撮像装置の駆動パルスを示す図である。It is a figure which shows the drive pulse of an imaging device. 撮像装置の駆動パルスを示す図である。It is a figure which shows the drive pulse of an imaging device. 撮像装置の動作を模式的に示す図である。It is a figure which shows operation | movement of an imaging device typically. 撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。It is a figure which represents the cross-section of an imaging device typically. 撮像装置の等価回路を表す図である。It is a figure showing the equivalent circuit of an imaging device. 撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。It is a figure which represents the cross-section of an imaging device typically. 撮像装置の駆動パルスを示す図である。It is a figure which shows the drive pulse of an imaging device. 撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。It is a figure which represents the cross-section of an imaging device typically. 撮像装置の断面構造を模式的に表す図である。It is a figure which represents the cross-section of an imaging device typically. 撮像装置の駆動パルスを示す図である。It is a figure which shows the drive pulse of an imaging device. 撮像装置の動作を模式的に示す図である。It is a figure which shows operation | movement of an imaging device typically. 撮像装置のポテンシャル構造を示す図である。It is a figure which shows the potential structure of an imaging device. 撮像装置の入射光量と出力の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the incident light quantity and output of an imaging device. 撮像システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram showing composition of an imaging system.

本発明に係る1つの実施形態は、複数の画素と、複数の画素からの信号が出力される出力線とを備える撮像装置である。複数の画素のそれぞれが、光電変換部と、電荷を保持する保持部と、電荷に基づく信号を出力する増幅部とを有する。さらに、光電変換部から保持部へ電荷を転送する第1の転送スイッチと、保持部から増幅部へ電荷を転送する第2の転送スイッチとが配される。このような構成により、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタを行うことができる。電子シャッタとは、入射光によって生じた電荷の蓄積を電気的に制御することである。   One embodiment according to the present invention is an imaging device provided with a plurality of pixels and an output line to which signals from the plurality of pixels are output. Each of the plurality of pixels includes a photoelectric conversion unit, a holding unit that holds a charge, and an amplification unit that outputs a signal based on the charge. Furthermore, a first transfer switch for transferring charge from the photoelectric conversion unit to the holding unit, and a second transfer switch for transferring charge from the holding unit to the amplification unit are arranged. With such a configuration, it is possible to perform an imaging operation in which photoelectric conversion periods coincide with one another among a plurality of pixels, so-called global electronic shutter. The electronic shutter is to electrically control the accumulation of charge generated by incident light.

本発明に係るいくつかの実施例では、第1の時刻において、複数の画素の光電変換部が同時に電荷の蓄積を開始する。第1の時刻から第2の時刻まで、複数の画素において、第1の転送スイッチがオフに維持される。この期間に生じた電荷が光電変換部に蓄積される。第1の時刻から第2の時刻までの期間が第1の期間である。   In some embodiments according to the present invention, photoelectric conversion units of a plurality of pixels simultaneously start accumulating charge at a first time. The first transfer switch is kept off in the plurality of pixels from the first time to the second time. The charge generated in this period is accumulated in the photoelectric conversion unit. The period from the first time to the second time is the first period.

第2の時刻から第3の時刻までの第2の期間、複数の画素の保持部が電荷を保持する。この第2の期間の少なくとも一部において、保持部は、第1の期間で生じた電荷と第2の期間で生じた電荷とを保持する。第3の時刻に、複数の画素の第1の転送スイッチが同時にオンからオフに制御される。   The holding units of the plurality of pixels hold a charge in a second period from the second time to the third time. In at least a part of the second period, the holding unit holds the charge generated in the first period and the charge generated in the second period. At a third time, the first transfer switches of the plurality of pixels are simultaneously controlled from on to off.

本発明に係るいくつかの実施例では、保持部の飽和電荷量に対する光電変換部の飽和電荷量の比は、第1の期間と第2の期間の合計の長さに対する第1の期間の長さの比にほぼ等しい。   In some embodiments according to the present invention, the ratio of the saturated charge amount of the photoelectric conversion unit to the saturated charge amount of the holding unit is the length of the first period with respect to the total length of the first period and the second period. It is almost equal to the ratio of

光電変換部の飽和電荷量、および、保持部の飽和電荷量に合わせた駆動を行うことにより、それぞれのサイズを小さくすることができる。したがって、このような構成により、小さな画素サイズと高い飽和電荷量とを両立しつつ、グローバル電子シャッタを行うことができる。   By performing driving in accordance with the saturation charge amount of the photoelectric conversion portion and the saturation charge amount of the holding portion, the respective sizes can be reduced. Therefore, with such a configuration, it is possible to perform global electronic shutter while achieving both a small pixel size and a high saturation charge amount.

保持部の飽和電荷量は、光電変換部の空乏化電圧と保持部の空乏化電圧との差によって規定される。光電変換部の空乏化電圧とは、光電変換部の信号電荷が蓄積される領域の全体が空乏化したときに、当該領域における信号電荷に対するポテンシャルが最も低い部分の電圧のことである。保持部の空乏化電圧とは、保持部の信号電荷が保持される領域の全体が空乏化した時に、当該領域における信号電荷に対するポテンシャルが最も低い部分の電圧のことである。このような構成によれば、入射光量に対する出力の線形性を良好に保つことができる。   The saturated charge amount of the holding portion is defined by the difference between the depletion voltage of the photoelectric conversion portion and the depletion voltage of the holding portion. The depletion voltage of the photoelectric conversion unit is a voltage of a portion having the lowest potential with respect to the signal charge in the region when the entire region where the signal charge of the photoelectric conversion unit is accumulated is depleted. The depletion voltage of the holding portion is the voltage of the portion with the lowest potential for the signal charge in the region when the entire region where the signal charge of the holding portion is held is depleted. According to such a configuration, it is possible to maintain good linearity of the output with respect to the amount of incident light.

また、別の実施形態においては、入射光量に対して増幅部の出力が線形に変化する範囲で保持部に保持される電荷量に対する光電変換部の飽和電荷量の比が、第1の期間と第2の期間の合計の長さに対する第1の期間の長さの比にほぼ等しい。このような構成によれば、入射光量に対する出力の線形性を良好に保つことができる。   In another embodiment, the ratio of the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit to the charge amount held by the holding unit is within a range in which the output of the amplification unit changes linearly with the amount of incident light during the first period. It is approximately equal to the ratio of the length of the first period to the total length of the second period. According to such a configuration, it is possible to maintain good linearity of the output with respect to the amount of incident light.

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。もちろん、本発明に係る実施例は、以下に説明される実施例のみに限定されない。例えば、以下のいずれかの実施例の一部の構成を、他の実施例に追加した例、あるいは他の実施例の一部の構成と置換した例も本発明の実施例である。また、以下の実施例では、第1導電型がN型であり、第2導電型がP型である。しかし、第1導電型がP型であり、第2導電型がN型であってもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Of course, the embodiments according to the present invention are not limited to the embodiments described below. For example, an example in which a part of the configuration of any one of the following embodiments is added to another embodiment or is replaced with a configuration of a part of another embodiment is also an embodiment of the present invention. In the following embodiments, the first conductivity type is N-type, and the second conductivity type is P-type. However, the first conductivity type may be P-type, and the second conductivity type may be N-type.

実施例1について説明する。図1は、撮像装置の画素の等価回路を示している。図1には4個の画素20が示されているが、撮像装置はさらに多くの画素を有している。   Example 1 will be described. FIG. 1 shows an equivalent circuit of a pixel of an imaging device. Although four pixels 20 are shown in FIG. 1, the imaging device has more pixels.

各画素20は、光電変換部1、保持部2、増幅部10、第1の転送スイッチ4、および、第2の転送スイッチ5を含む。さらに、画素20は、リセットトランジスタ9、選択トランジスタ7を含む。   Each pixel 20 includes a photoelectric conversion unit 1, a holding unit 2, an amplification unit 10, a first transfer switch 4, and a second transfer switch 5. Furthermore, the pixel 20 includes a reset transistor 9 and a selection transistor 7.

光電変換部1は、入射光によって生じた電荷を蓄積する。第1の転送スイッチ4は、光電変換部1の電荷を保持部2に転送する。保持部2は、入射光によって生じた電荷を、光電変換部1とは別の場所で保持する。第2の転送スイッチ5は、保持部2の電荷を増幅部10の入力ノード3に転送する。リセットトランジスタ9は、増幅部10の入力ノード3の電圧をリセットする。選択トランジスタ7は、出力線8に信号を出力する画素20を選択する。増幅部10は、入射光によって生じた電荷に基づく信号を出力線8に出力する。増幅部10は、例えばソースフォロアである。また、第1の転送スイッチ4、および、第2の転送スイッチ5は、それぞれ、MOSトランジスタである。   The photoelectric conversion unit 1 accumulates the charge generated by the incident light. The first transfer switch 4 transfers the charge of the photoelectric conversion unit 1 to the holding unit 2. The holding unit 2 holds the charge generated by the incident light at a place different from the photoelectric conversion unit 1. The second transfer switch 5 transfers the charge of the holding unit 2 to the input node 3 of the amplification unit 10. The reset transistor 9 resets the voltage of the input node 3 of the amplification unit 10. The selection transistor 7 selects a pixel 20 that outputs a signal to the output line 8. The amplification unit 10 outputs a signal based on the charge generated by the incident light to the output line 8. The amplification unit 10 is, for example, a source follower. The first transfer switch 4 and the second transfer switch 5 are each a MOS transistor.

第1の転送スイッチ4には、制御線Tx1が接続される。第2の転送スイッチ5には、制御線Tx2が接続される。本実施例では、複数の画素が行列状に配される。1つの行に含まれる画素には共通の制御線が接続される。そこで、例えばn行目の画素については、制御線Tx1(n)と表記する。   A control line Tx1 is connected to the first transfer switch 4. A control line Tx2 is connected to the second transfer switch 5. In this embodiment, a plurality of pixels are arranged in a matrix. A common control line is connected to the pixels included in one row. Therefore, for example, the pixel in the n-th row is described as a control line Tx1 (n).

このような構成により、保持部2が電荷を保持している間に生じた電荷を、光電変換部1が蓄積することができる。そのため、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタを行うことができる。   With such a configuration, the photoelectric conversion unit 1 can accumulate the charge generated while the holding unit 2 holds the charge. Therefore, an imaging operation in which photoelectric conversion periods coincide with one another among a plurality of pixels, that is, so-called global electronic shutter can be performed.

図2は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図2には1つの画素の断面が示されている。図1と同じ機能を有する部分には同様の符号を付してある。図2は表面照射型の撮像装置を示しているが、裏面照射型としてもよい。   FIG. 2 schematically shows the cross-sectional structure of the imaging device. A cross section of one pixel is shown in FIG. Parts having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Although FIG. 2 shows a front side illumination type imaging device, it may be a backside illumination type.

光電変換部1は埋め込み型のフォトダイオード構造を有する。光電変換部1は、N型の半導体領域11、および、P型の半導体領域12を含む。N型の半導体領域11、および、P型の半導体領域12がPN接合を構成する。P型の半導体領域12により界面のノイズを抑制することが可能となる。   The photoelectric conversion unit 1 has a buried photodiode structure. The photoelectric conversion unit 1 includes an N-type semiconductor region 11 and a P-type semiconductor region 12. The N-type semiconductor region 11 and the P-type semiconductor region 12 constitute a PN junction. The P-type semiconductor region 12 can suppress interface noise.

P型の半導体領域14はウェルである。N型の半導体領域11の下に、N型の半導体領域13が配される。N型の半導体領域13の不純物濃度は、N型の半導体領域11の不純物濃度より低い。これにより、深い位置で生じた電荷がN型の半導体領域に収集される。ここでは、N型の半導体領域13はP型でもよい。N型の半導体領域13の下には、電荷に対するポテンシャルバリアとなるP型の半導体領域17が配される。   The P-type semiconductor region 14 is a well. Under the N-type semiconductor region 11, an N-type semiconductor region 13 is disposed. The impurity concentration of the N-type semiconductor region 13 is lower than the impurity concentration of the N-type semiconductor region 11. As a result, charges generated at deep positions are collected in the N-type semiconductor region. Here, the N-type semiconductor region 13 may be P-type. Below the N-type semiconductor region 13, a P-type semiconductor region 17 serving as a potential barrier to charge is disposed.

保持部2は、N型の半導体領域201を含む。N型の半導体領域201に、信号となる電荷が保持される。N型の半導体領域201の不純物濃度は、N型の半導体領域11の不純物濃度より高い。   The holding unit 2 includes an N-type semiconductor region 201. The charge serving as a signal is held in the N-type semiconductor region 201. The impurity concentration of the N-type semiconductor region 201 is higher than the impurity concentration of the N-type semiconductor region 11.

ゲート電極40は、第1の転送スイッチ4のゲートを構成する。また、ゲート電極50は、第2の転送スイッチ5のゲートを構成する。N型の半導体領域201の上に、ゲート絶縁膜を介して、ゲート電極40の一部が配される。ゲート電極40に負の電圧を与えることにより、N型の半導体領域201の表面にホールを誘起することができる。これにより、界面で発生するノイズを抑制することができる。   The gate electrode 40 constitutes the gate of the first transfer switch 4. Further, the gate electrode 50 constitutes the gate of the second transfer switch 5. A part of the gate electrode 40 is disposed on the N-type semiconductor region 201 via the gate insulating film. By applying a negative voltage to the gate electrode 40, holes can be induced on the surface of the N-type semiconductor region 201. Thereby, the noise generated at the interface can be suppressed.

保持部2は、遮光部203によって遮光される。遮光部203は、タングステンやアルミニウム等の可視光にとって光を通しにくい金属で形成される。遮光部203の開口の上に、カラーフィルタ100、マイクロレンズ101が配される。   The holding unit 2 is shielded by the light shielding unit 203. The light shielding portion 203 is formed of a metal such as tungsten or aluminum which hardly transmits light to visible light. The color filter 100 and the micro lens 101 are disposed on the opening of the light shielding unit 203.

光電変換部1および保持部2は半導体基板に配される。この実施例では、半導体基板の表面と平行な面への光電変換部1の正射影の面積が、当該面への保持部2の正射影の面積より小さい。このような構成によれば、ノイズを低減しつつ、画素の飽和電荷量を増やすことができるという効果が得られる。   The photoelectric conversion unit 1 and the holding unit 2 are disposed on a semiconductor substrate. In this embodiment, the area of the orthographic projection of the photoelectric conversion unit 1 on a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate is smaller than the area of the orthographic projection of the holding unit 2 on the plane. According to such a configuration, it is possible to obtain an effect that the saturation charge amount of the pixel can be increased while reducing the noise.

画素の飽和電荷量を向上させるためには、保持部2が大きな飽和電荷量を持つことが好ましい。保持部2のN型の半導体領域201の不純物濃度を高くすること、あるいは、平面視におけるN型の半導体領域201の面積を大きくすることにより、保持部2の飽和電荷量を増やすことができる。しかし、N型の半導体領域201の不純物濃度が高いと、リーク電流などが大きくなりやすく、ノイズが大きくなる可能性がある。そのため、平面視におけるN型の半導体領域201の面積を大きくすることで、N型の半導体領域201の不純物濃度を抑えつつ、飽和電荷量を増やすことができる。   In order to improve the saturation charge amount of the pixel, it is preferable that the holding unit 2 have a large saturation charge amount. The saturation charge amount of the holding unit 2 can be increased by increasing the impurity concentration of the N-type semiconductor region 201 of the holding unit 2 or increasing the area of the N-type semiconductor region 201 in plan view. However, when the impurity concentration of the N-type semiconductor region 201 is high, leakage current and the like are likely to be large, and noise may be large. Therefore, the saturation charge amount can be increased while suppressing the impurity concentration of the N-type semiconductor region 201 by increasing the area of the N-type semiconductor region 201 in plan view.

このように、平面視における保持部2の面積、つまり、保持部2の正射影の面積を大きくすることで、ノイズを低減しつつ、画素の飽和電荷量を増やすことができる。そうすると、相対的に、平面視における光電変換部1の面積が小さくなりやすく、光電変換部1の飽和電荷量を増やすことが困難になる。したがって、光電変換部1の飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を維持できるという効果がより顕著になる。   As described above, by increasing the area of the holding unit 2 in plan view, that is, the area of the orthogonal projection of the holding unit 2, it is possible to increase the saturation charge amount of the pixel while reducing noise. Then, the area of the photoelectric conversion unit 1 in plan view tends to be relatively small, and it becomes difficult to increase the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1. Therefore, even if the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 is small, the effect of being able to maintain the saturation charge amount of the pixel becomes more remarkable.

実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。図3は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図3では、n〜n+2行目の画素の、第1の転送スイッチ4の制御線Tx1と第2の転送スイッチ5の制御線Tx2に供給される駆動パルスが示されている。駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された制御部が供給する。制御部には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。   A driving method of the imaging device of the embodiment will be described. FIG. 3 schematically shows driving pulses used in the present embodiment. FIG. 3 shows drive pulses supplied to the control line Tx1 of the first transfer switch 4 and the control line Tx2 of the second transfer switch 5 in the pixels in the nth to n + 2th rows. When the drive pulse is high, the corresponding transistor or switch is turned on. When the drive pulse is low, the corresponding transistor or switch is turned off. These drive pulses are supplied by a control unit disposed in the imaging device. In the control unit, logic circuits such as shift registers and address decoders are used.

まず、時刻T1より前に、前フレームの露光が行われている。露光とは、光電変換によって生じた電荷が信号として蓄積または保持されることを意味する。時刻T1より前に生じた電荷は、保持部2に保持されている。前フレームの露光の終了は、光電変換部1から保持部2への電荷の第1の転送スイッチ4を全画素同時にオンからオフへ制御することである(図1の時刻T1)。   First, exposure of the previous frame is performed before time T1. Exposure means that charge generated by photoelectric conversion is accumulated or held as a signal. The charge generated before time T1 is held in the holding unit 2. The end of the exposure of the previous frame is to control the first transfer switch 4 of the charge from the photoelectric conversion unit 1 to the holding unit 2 from on to all pixels simultaneously (time T1 in FIG. 1).

また、時刻T1においては、光電変換部1の電荷が全て保持部に転送される。つまり、光電変換部1が初期状態になる。そのため、時刻T1において、3行の画素の光電変換部1が同時に電荷の蓄積を開始する。このように、本実施例では、第1の転送スイッチ4がオフすることで、光電変換部1による電荷の蓄積が開始される。   Further, at time T1, all charges of the photoelectric conversion unit 1 are transferred to the holding unit. That is, the photoelectric conversion unit 1 is in the initial state. Therefore, at time T1, the photoelectric conversion units 1 of the pixels in the three rows simultaneously start accumulating charge. As described above, in the present embodiment, when the first transfer switch 4 is turned off, accumulation of charges by the photoelectric conversion unit 1 is started.

時刻T1から第1の期間が経過する時刻T2までは、第1の転送スイッチ4がオフに維持される。この実施例では、全ての画素の第1の転送スイッチ4がオフに維持される。しかし、少なくとも1つの画素において、時刻T1から時刻T2まで、第1の転送スイッチ4がオフに維持されていればよい。   The first transfer switch 4 is maintained off from time T1 to time T2 when the first period elapses. In this embodiment, the first transfer switches 4 of all the pixels are kept off. However, the first transfer switch 4 may be kept off from time T1 to time T2 in at least one pixel.

時刻T1から第1の期間が経過した時が時刻T2である。すなわち、時刻T1から時刻T2までの期間が第1の期間である。第1の期間においては、当該第1の期間に生じる電荷が光電変換部1に蓄積される。一方、第1の期間には、保持部2は前フレームで生じた電荷を保持している。   The time when the first period has elapsed from time T1 is time T2. That is, the period from time T1 to time T2 is the first period. In the first period, charges generated in the first period are accumulated in the photoelectric conversion unit 1. On the other hand, in the first period, the holding unit 2 holds the charge generated in the previous frame.

そして、第1の期間に、保持部2の電荷が増幅部10の入力ノード3に順次読み出される。具体的には、n行目の第2の転送スイッチ5をオンとすることで、n行目の画素の保持部2の電荷を入力ノード3に転送する。入力ノード3の容量と転送された電荷の量に応じて、入力ノード3の電圧が変化する。増幅部10によって、入力ノードの電圧に基づく信号が出力線8に出力される。次にn+1行目の画素について同様の動作が行われる。この動作が、1行目の画素から最後の行の画素までのそれぞれにおいて行われる。最後の画素で読み出しが行われた後には、全ての画素の第1の転送スイッチ4および第2の転送スイッチ5がオフしている。   Then, during the first period, the charge of the holding unit 2 is sequentially read out to the input node 3 of the amplification unit 10. Specifically, by turning on the second transfer switch 5 in the nth row, the charge of the holding unit 2 of the pixel in the nth row is transferred to the input node 3. The voltage of the input node 3 changes in accordance with the capacitance of the input node 3 and the amount of transferred charge. The amplifier 10 outputs a signal based on the voltage of the input node to the output line 8. Next, the same operation is performed on the (n + 1) th row of pixels. This operation is performed in each of the pixels in the first row to the pixels in the last row. After the readout in the last pixel, the first transfer switch 4 and the second transfer switch 5 of all the pixels are turned off.

時刻T2に、第1の転送スイッチ4をオンにする。これにより、光電変換部1の電荷が保持部2に転送される。つまり、時刻T2以降は、第1の期間に生じた電荷が、保持部2によって保持される。この実施例では、全ての画素の第1の転送スイッチ4が同時にオフからオンに遷移する。しかし、時刻T2までに、複数の画素の第1の転送スイッチ4がオンしていればよく、遷移のタイミングは互いに異なっていてもよい。たとえば、上述の読み出し動作が終わった画素から順に、第1の転送スイッチ4をオンにしてもよい。   At time T2, the first transfer switch 4 is turned on. Thereby, the charge of the photoelectric conversion unit 1 is transferred to the holding unit 2. That is, after time T2, the charge generated in the first period is held by the holding unit 2. In this embodiment, the first transfer switches 4 of all the pixels simultaneously transition from off to on. However, as long as the first transfer switches 4 of the plurality of pixels are turned on by time T2, the transition timings may be different from each other. For example, the first transfer switch 4 may be turned on sequentially from the pixel on which the above-described read operation is completed.

その後、時刻T2から第2の期間が経過する時刻T3まで、保持部が、第1の期間に生じた電荷と、第2の期間に生じた電荷との両方を保持する。この実施例では、第2の期間において第1の転送スイッチ4がオンに維持される。そのため、第2の期間に生じた電荷は、即座に保持部2に転送される。なお、光電変換部1から保持部2に電荷を転送する期間は自由に設定することができる。第2の期間の一部で、第1の転送スイッチ4がオフしていてもよい。   After that, the holding unit holds both the charge generated in the first period and the charge generated in the second period from time T2 to time T3 when the second period elapses. In this embodiment, the first transfer switch 4 is kept on in the second period. Therefore, the charge generated in the second period is immediately transferred to the holding unit 2. Note that the period for transferring the charge from the photoelectric conversion unit 1 to the holding unit 2 can be set freely. The first transfer switch 4 may be off during part of the second period.

時刻T3において、全ての行の画素の第1の転送スイッチ4がオンからオフに同時に制御される。これにより、1フレームの露光期間が終了する。このように、全ての画素の間で、露光期間が互いに一致している。つまり、全ての画素において、時刻T1に露光が開始し、時刻T3に露光が終了する。また、時刻T3において、次フレームの露光が開始され、以降、時刻T1から時刻T3までの動作が繰り返される。   At time T3, the first transfer switches 4 of all the row pixels are simultaneously controlled from on to off. Thus, the exposure period of one frame ends. Thus, the exposure periods coincide with one another among all the pixels. That is, exposure starts at time T1 and ends at time T3 in all the pixels. At time T3, exposure of the next frame is started, and thereafter, the operation from time T1 to time T3 is repeated.

次に、1画素からの信号の読み出しの動作を簡単に説明する。図4は、撮像装置に用いられる駆動パルスを模式的に示している。図4には、選択トランジスタ7に供給される駆動パルスSEL、リセットトランジスタ9に供給される駆動パルスRES、及び、第2の転送スイッチ5に供給される駆動パルスTx2が示される。駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。   Next, the operation of reading out a signal from one pixel will be briefly described. FIG. 4 schematically shows drive pulses used in the imaging device. FIG. 4 shows the drive pulse SEL supplied to the selection transistor 7, the drive pulse RES supplied to the reset transistor 9, and the drive pulse Tx2 supplied to the second transfer switch 5. When the drive pulse is high, the corresponding transistor or switch is turned on. When the drive pulse is low, the corresponding transistor or switch is turned off.

図4に示される駆動パルスにしたがって、画素の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し(N読み)、電荷の転送、光信号の読み出し(S読み)が行われる。出力された信号は、撮像装置の外部でAD変換されてもよい。撮像装置の内部でAD変換されてもよい。   According to the drive pulse shown in FIG. 4, pixel selection, reset, noise signal readout (N reading), charge transfer, and light signal readout (S reading) are performed. The output signal may be AD converted outside the imaging device. AD conversion may be performed inside the imaging device.

図5は、撮像装置の動作を模式的に示している。図5には、第nフレームから第n+1フレームまでの撮像動作が示されている。第nフレームに関する動作は実線で、第n+1フレームに関する動作は点線で示されている。   FIG. 5 schematically shows the operation of the imaging device. FIG. 5 shows imaging operations from the nth frame to the n + 1th frame. The operation for the nth frame is shown by a solid line, and the operation for the n + 1th frame is shown by a dotted line.

図5には、各フレームでの露光期間、光電変換部1が電荷を蓄積している期間、および、保持部2が電荷を保持している期間が示されている。また、図5は、第1の期間において、複数の画素の読み出し動作が行われていることを示している。図5における読み出し動作とは、図3および図4で説明した、第2の転送スイッチ5による電荷の転送と、増幅部10による信号の出力とを含む動作である。   FIG. 5 shows an exposure period in each frame, a period in which the photoelectric conversion unit 1 stores electric charge, and a period in which the holding unit 2 holds electric charge. Further, FIG. 5 shows that the reading operation of a plurality of pixels is performed in the first period. The read operation in FIG. 5 is an operation including the transfer of charge by the second transfer switch 5 and the output of the signal by the amplification unit 10 described with reference to FIGS. 3 and 4.

図5が示すように、1フレームの露光が終了してからすぐに、次の露光を開始することができる。したがって、情報が欠落する期間をほとんどなくすことができるため、画質を向上させることができる。   As shown in FIG. 5, the next exposure can be started as soon as the exposure of one frame is completed. Therefore, the image quality can be improved because the period in which information is lost can be almost eliminated.

また、図5が示すように、光電変換部1が電荷を蓄積している第1の期間に、複数の画素のそれぞれに対して読み出し動作が行われる。このため、光電変換部1の飽和電荷量が小さくても、画素の飽和電荷量を増加させることができる。画素の飽和電荷量は、1回の露光で生じる電荷のうち、信号として扱うことができる電荷量の最大値である。光電変換部1の飽和電荷量は、光電変換部1が蓄積できる電荷量の最大値である。   Further, as shown in FIG. 5, the read operation is performed on each of the plurality of pixels in the first period in which the photoelectric conversion unit 1 stores the charge. For this reason, even if the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 is small, the saturation charge amount of the pixel can be increased. The saturation charge amount of the pixel is the maximum value of the charge amount that can be treated as a signal among the charges generated in one exposure. The saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 is the maximum value of the charge amount that can be accumulated by the photoelectric conversion unit 1.

1回の露光期間は、第1の期間と第2の期間の合計である。ここで、保持部2に保持された前フレームの電荷は、第1の期間に読み出される。そのため、第1の期間が終われば、保持部2が電荷を保持することができる。したがって、光電変換部1は、少なくとも第1の期間に生じる電荷を蓄積できればよい。通常は、第1の期間に生じる電荷の量は、1回の露光期間に生じる電荷の量より少ないため、光電変換部1の飽和電荷量を小さくすることができるのである。   One exposure period is the sum of the first period and the second period. Here, the charge of the previous frame held in the holding unit 2 is read out in the first period. Therefore, when the first period ends, the holding unit 2 can hold the charge. Therefore, the photoelectric conversion unit 1 only needs to be able to store the charge generated in at least the first period. Usually, the amount of charge generated in the first period is smaller than the amount of charge generated in one exposure period, so the amount of saturation charge of the photoelectric conversion portion 1 can be reduced.

図5が示すように、本実施例では、保持部2が電荷を保持している第2の期間の方が、第1の期間よりも長い。そのため、光電変換部1の飽和電荷量をより小さくできる。しかし、第1の期間が第2の期間と等しくてもよいし、第1の期間が第2の期間より長くてもよい。   As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the second period in which the holding unit 2 holds the charge is longer than the first period. Therefore, the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 can be further reduced. However, the first period may be equal to the second period, or the first period may be longer than the second period.

図5では、1行目から順に読み出し動作を行う例を示している。しかし、読み出し動作を行う順序はこの例に限られない。第1の期間に、1フレームを構成する画素のそれぞれに対して少なくとも1回ずつ読み出しが行われればよい。また、少なくとも一部の画素においては、あるフレームで保持部2が電荷の保持を開始してから、次のフレームで当該保持部2が電荷の保持を開始するまでの期間が、露光期間に等しい。   FIG. 5 shows an example in which the read operation is performed sequentially from the first row. However, the order of performing the read operation is not limited to this example. During the first period, reading may be performed at least once for each of the pixels constituting one frame. In addition, in at least some pixels, the period from when the holding unit 2 starts holding charges in a certain frame until the holding unit 2 starts holding charges in the next frame is equal to the exposure period. .

第1の期間と第2の期間との合計に対する第1の期間の比と、保持部2の飽和電荷量に対する光電変換部1の飽和電荷量の比が、ほぼ等しいことが好ましい。より詳細には、光電変換部1の飽和電荷量をA、保持部2の飽和電荷量をA、第1の期間をP、第2の期間をPとする。そうすると、A、A、P、Pが次の式(1)の関係を満たす。ここで、第1の期間Pと第2の期間Pとの合計は、1回の露光期間P+Pのことである。 It is preferable that the ratio of the first period to the total of the first period and the second period be substantially equal to the ratio of the saturated charge amount of the photoelectric conversion unit 1 to the saturated charge amount of the holding unit 2. More specifically, the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 is A 1 , the saturation charge amount of the holding unit 2 is A 2 , the first period is P 1 , and the second period is P 2 . Then, A 1 , A 2 , P 1 and P 2 satisfy the relationship of the following equation (1). Here, the first period P 1 and the sum of the second period P 2 is that of one exposure period P 1 + P 2.

より好適には、第1の期間と第2の期間との合計に対する第1の期間の比と、保持部2の飽和電荷量に対する光電変換部1の飽和電荷量の比が等しい。すなわち、A、A、P、Pが次の式(2)の関係を満たす。 More preferably, the ratio of the first period to the sum of the first period and the second period is equal to the ratio of the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 to the saturation charge amount of the holding unit 2. That is, A 1 , A 2 , P 1 and P 2 satisfy the relationship of the following formula (2).

この実施例では、第1の期間に対する1回の露光期間の比は4である。つまり、第1の期間は、1回の露光期間の1/4である。例えば、毎秒60フレームの動画を撮影する場合、露光期間は1/60秒であり、第1の期間は1/240秒である。   In this embodiment, the ratio of one exposure period to the first period is four. That is, the first period is 1⁄4 of one exposure period. For example, in the case of shooting a moving image at 60 frames per second, the exposure period is 1/60 seconds, and the first period is 1/240 seconds.

そのため、保持部2の飽和電荷量に対する、光電変換部1の飽和電荷量の比は1/4に近いことが好ましい。これは、保持部2は1回の露光期間で生じた電荷の全部を保持するのに対し、光電変換部1はその1/4の量の電荷を保持すればよいからである。具体的には、保持部2の飽和電荷量が40000電子の場合、光電変換部1の飽和電荷量は、5000電子以上、25000電子以下の範囲であるとよい。好適には、光電変換部1の飽和電荷量は10000電子である。   Therefore, the ratio of the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 to the saturation charge amount of the holding unit 2 is preferably close to 1⁄4. This is because while the holding unit 2 holds all of the charges generated in one exposure period, the photoelectric conversion unit 1 may hold a 1/4 amount of charge. Specifically, when the saturation charge amount of the holding unit 2 is 40000 electrons, the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 is preferably in the range of 5000 electrons or more and 25000 electrons or less. Preferably, the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 is 10000 electrons.

このように上述の式(1)で表される飽和電荷量の比とすることで、光電変換部1と保持部2のサイズを最適化することができる。   Thus, the sizes of the photoelectric conversion unit 1 and the holding unit 2 can be optimized by setting the ratio of the saturated charge amount represented by the above-mentioned formula (1).

また、保持部2が光電変換部1から溢れた電荷を保持するように構成する場合は、A、A、P、Pが次の式(3)を満足するとよい。 When the holding unit 2 is configured to hold the charge overflowing from the photoelectric conversion unit 1, A 1 , A 2 , P 1 , and P 2 may satisfy the following formula (3).

具体的に、保持部2の飽和電荷量が40000電子の場合、光電変換部1の飽和電荷量が、5000電子以上、10000電子未満での範囲である。このような構成により、光電変換部1から溢れた電荷を保持部2が保持することができるため、電荷の混入を低減できる。   Specifically, when the saturation charge amount of the holding unit 2 is 40000 electrons, the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 is in the range of 5000 electrons or more and less than 10000 electrons. With such a configuration, the charge overflowing from the photoelectric conversion unit 1 can be held by the holding unit 2, so that the mixing of charges can be reduced.

一方、A1、A2、P1、P2が次の式(4)を満足する場合、光電変換部1の飽和電荷量に余裕を持たせることができるため、電荷の溢れ出しを低減できる。   On the other hand, when A1, A2, P1 and P2 satisfy the following equation (4), the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 can have a margin, so that the charge overflow can be reduced.

図14は撮像装置の画素20におけるポテンシャル構造を示している。図1と同じ機能を有する部分には同様の符号を付してある。ポテンシャルは信号電荷に対するポテンシャルである。本実施例では信号電荷が電子である。したがって、図14の下に行くほど高い電圧である。光電変換部1、保持部2、および、入力ノード3の中では、入力ノード3のポテンシャルが最も深い、あるいは、低い。次いで、保持部2のポテンシャルは、入力ノード3のポテンシャルより浅い、あるいは、高い。光電変換部1のポテンシャルは、保持部2のポテンシャルより浅い、あるいは、高い。このようなポテンシャル構造にすることで、光電変換部1から保持部2への完全転送が可能になる。すなわち、光電変換部1から保持部2へ信号電荷を転送する際に光電変換部1に電荷を残すことなく、すべての電荷を保持部2に転送できる。そのため、電荷転送に伴うノイズを低減することができる。同様に、保持部2から入力ノード3への完全転送も可能になる。   FIG. 14 shows the potential structure of the pixel 20 of the imaging device. Parts having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The potential is the potential for the signal charge. In the present embodiment, the signal charge is an electron. Therefore, the lower the voltage in FIG. Among the photoelectric conversion unit 1, the holding unit 2, and the input node 3, the potential of the input node 3 is deepest or low. Then, the potential of the holding unit 2 is shallower or higher than the potential of the input node 3. The potential of the photoelectric conversion unit 1 is shallower or higher than the potential of the holding unit 2. With such a potential structure, complete transfer from the photoelectric conversion unit 1 to the holding unit 2 becomes possible. That is, when transferring the signal charge from the photoelectric conversion unit 1 to the holding unit 2, all the charges can be transferred to the holding unit 2 without leaving the charge in the photoelectric conversion unit 1. Therefore, noise associated with charge transfer can be reduced. Similarly, complete transfer from the holding unit 2 to the input node 3 is also possible.

光電変換部1の飽和電荷量A1は、光電変換部1の蓄積できる最大の電荷量である。図14において電荷Q1が、光電変換部1の蓄積できる最大の電荷量を模式的に示している。   The saturation charge amount A1 of the photoelectric conversion unit 1 is the maximum charge amount that can be accumulated in the photoelectric conversion unit 1. In FIG. 14, the charge Q <b> 1 schematically indicates the maximum charge amount that can be accumulated in the photoelectric conversion unit 1.

図14において電荷Q2が、保持部2の飽和電荷量A2を模式的に示している。保持部2の飽和電荷量A2は、光電変換部1の空乏化電圧Vdep1と保持部2の空乏化電圧Vdep2との差ΔVdepによって規定される。図14において、矢印が差ΔVdepを模式的に示している。なお、電荷Q2および電荷Q3の合計は、保持部2の保持可能な最大の電荷量に相当する。保持部2の保持可能な最大の電荷量は、第1の転送スイッチ4のオフ時のポテンシャルおよび第2の転送スイッチ5のオフ時のポテンシャルの低い方と、保持部2の空乏化電圧Vdep2との差によって規定される。   In FIG. 14, the charge Q2 schematically shows the saturation charge amount A2 of the holding unit 2. The saturation charge amount A2 of the holding unit 2 is defined by the difference ΔVdep between the depletion voltage Vdep1 of the photoelectric conversion unit 1 and the depletion voltage Vdep2 of the holding unit 2. In FIG. 14, arrows schematically indicate the difference ΔVdep. The sum of the charge Q2 and the charge Q3 corresponds to the maximum charge amount that can be held by the holding unit 2. The maximum charge amount that can be held by the holding unit 2 is the lower one of the potential when the first transfer switch 4 is off and the potential when the second transfer switch 5 is off, and the depletion voltage Vdep 2 of the holding unit 2. Defined by the difference in

図15(a)は、光電変換部1への入射光量と出力信号との関係を示している。横軸が入射光量を示す。縦軸が出力信号のレベルを示す。光電変換部1への入射光量が増えると、入射光量が図15(a)に示された光量L2以下のときは、入射光量と出力信号のレベルとの間で線形性が保たれる。しかし、入射光量が光量L2を超えると線形性が低下する可能性がある。例えば、入射光量の変化量に対する出力信号のレベルの変化量が小さくなる。   FIG. 15A shows the relationship between the amount of light incident on the photoelectric conversion unit 1 and the output signal. The horizontal axis indicates the amount of incident light. The vertical axis shows the level of the output signal. When the amount of incident light to the photoelectric conversion unit 1 increases, linearity is maintained between the amount of incident light and the level of the output signal when the amount of incident light is equal to or less than the amount of light L2 shown in FIG. However, if the amount of incident light exceeds the amount of light L2, the linearity may be reduced. For example, the amount of change in the level of the output signal relative to the amount of change in the amount of incident light decreases.

図15(b)〜(d)は、光電変換部1で発生した電荷を保持部2に転送した後の画素20におけるポテンシャル構造を示している。図15(b)は、図15(a)に示される光量L1の光が入射したことにより生じた電荷を模式的に示している。図15(c)は、図15(a)に示される光量L2の光が入射したことより生じた電荷を模式的に示している。図15(d)は、図15(a)に示される光量L3の光が入射した入射したことより生じた電荷を模式的に示している。光量L1の光が入射したことにより生じた電荷の量は、図14に示される電荷Q2よりも少ない。光量L2の光が入射したことにより生じた電荷の量は、電荷Q2に等しい。光量L3の光が入射したことにより生じた電荷の量は、電荷Q2よりも多い。   15B to 15D show the potential structure of the pixel 20 after the charge generated in the photoelectric conversion unit 1 is transferred to the holding unit 2. FIG. 15 (b) schematically shows the charge generated by the incidence of the light of the light amount L1 shown in FIG. 15 (a). FIG. 15 (c) schematically shows the charges generated by the incidence of the light of the light amount L2 shown in FIG. 15 (a). FIG. 15 (d) schematically shows the charge generated by the incidence of the light of the light amount L3 shown in FIG. 15 (a). The amount of charge generated by the incidence of the light of the light amount L1 is smaller than the charge Q2 shown in FIG. The amount of charge generated by the incidence of the light of the light amount L2 is equal to the charge Q2. The amount of charge generated by the incidence of the light of the light amount L3 is larger than the charge Q2.

図16(b)および(c)が示すように、入射光量が光量L2以下の場合は、電荷転送後に光電変換部1には電荷が残らない。これに対し、図16(d)が示すように、入射光量が光量L2より多い場合、光電変換部1に保持部2に転送されない電荷が残る可能性がある。これは、電荷Q2を超えて発生した電荷にとっては、光電変換部1のポテンシャルと保持部2のポテンシャルとに差がないからである。信号電荷として増幅部の入力ノード3へ転送される電荷は、保持部2に保持された電荷である。そのため、光電変換部1に残った電荷は、出力される信号に寄与しない。結果として、出力信号のレベルが小さくなり、図15(a)が示すように、入射光量に対する出力信号のレベルの傾きが減少する。   As shown in FIGS. 16B and 16C, when the amount of incident light is equal to or less than the amount of light L2, no charge remains in the photoelectric conversion unit 1 after charge transfer. On the other hand, as shown in FIG. 16D, when the amount of incident light is larger than the amount of light L2, charges not transferred to the holding unit 2 may remain in the photoelectric conversion unit 1. This is because there is no difference between the potential of the photoelectric conversion unit 1 and the potential of the holding unit 2 for the charge generated beyond the charge Q2. The charge transferred to the input node 3 of the amplification unit as the signal charge is the charge held by the holding unit 2. Therefore, the charge remaining in the photoelectric conversion unit 1 does not contribute to the output signal. As a result, the level of the output signal decreases, and as shown in FIG. 15A, the slope of the level of the output signal with respect to the amount of incident light decreases.

扱う電荷量を光量L2までの入射光量で発生する電荷量、すなわち、図14の電荷Q2以下とすることで、このような線形性の低下を抑制することができる。したがって、本実施例では、保持部2の飽和電荷量A2を、光電変換部1の空乏化電圧Vdep1と保持部2の空乏化電圧Vdep2との差ΔVdepによって規定している。   Such a decrease in linearity can be suppressed by setting the charge amount to be handled to the charge amount generated at the incident light amount up to the light amount L2, that is, the charge Q2 or less in FIG. Therefore, in the present embodiment, the saturation charge amount A2 of the holding unit 2 is defined by the difference ΔVdep between the depletion voltage Vdep1 of the photoelectric conversion unit 1 and the depletion voltage Vdep2 of the holding unit 2.

また、別の観点では、保持部2の飽和電荷量A2を、入射光量に対して増幅部の出力が線形に変化する範囲で保持部に保持される電荷量として規定してもよい。このような構成により、出力信号の線形性の低下を抑制することができる。   In another viewpoint, the saturation charge amount A2 of the holding unit 2 may be defined as the charge amount held by the holding unit in a range in which the output of the amplification unit changes linearly with the amount of incident light. Such a configuration can suppress the decrease in the linearity of the output signal.

なお、本実施例の撮像装置は、ローリングシャッタを行う動作モードを有していてもよい。ローリングシャッタの動作モードでは、複数の画素の光電変換部1による電荷の蓄積を、順次、開始する。その後、複数の画素の第1の転送スイッチ4を、順次、オンに制御する。また、別の方式のグローバル電子シャッタを行う動作モードを有していてもよい。別の方式のグローバル電子シャッタとは、光電変換部1が電荷を蓄積している期間が露光期間と等しくなるような動作である。   Note that the imaging device of the present embodiment may have an operation mode in which a rolling shutter is performed. In the rolling shutter operation mode, charge accumulation by the photoelectric conversion units 1 of a plurality of pixels is sequentially started. After that, the first transfer switches 4 of the plurality of pixels are sequentially controlled to be turned on. In addition, it may have an operation mode for performing another type of global electronic shutter. Another type of global electronic shutter is an operation in which the period during which the photoelectric conversion unit 1 stores charges is equal to the exposure period.

以上に説明した通り、本実施例の撮像装置によれば、飽和電荷量を向上しつつ、グローバル電子シャッタを行うことができる。   As described above, according to the imaging device of this embodiment, it is possible to perform the global electronic shutter while improving the saturation charge amount.

別の実施例を説明する。本実施例では、保持部の構造が実施例1と異なる。そこで、実施例1と異なる点のみを説明し、実施例1と同様の部分についての説明は省略する。   Another embodiment will be described. In the present embodiment, the structure of the holder is different from that of the first embodiment. Therefore, only differences from the first embodiment will be described, and the description of the same parts as the first embodiment will be omitted.

本実施例の等価回路は、実施例1と同じである。すなわち、図1は、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。図1についての説明は、実施例1と同様なので、省略する。   The equivalent circuit of this embodiment is the same as that of the first embodiment. That is, FIG. 1 shows an equivalent circuit of a pixel of the imaging device of this embodiment. The description of FIG.

本実施例の駆動方法は、実施例1と同じである。すなわち、図3および図4は、それぞれ、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。また、図5は、本実施例の撮像装置の動作を模式的に示している。図3〜5についての説明は、実施例1と同様なので、省略する。   The driving method of this embodiment is the same as that of the first embodiment. That is, FIGS. 3 and 4 schematically show driving pulses used in the present embodiment. FIG. 5 schematically shows the operation of the image pickup apparatus of this embodiment. The description of FIGS. 3 to 5 is the same as that of the first embodiment, and thus is omitted.

図6は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図6には1つの画素の断面が示されている。図1〜5と同じ機能を有する部分には同様の符号を付してある。   FIG. 6 schematically shows the cross-sectional structure of the imaging device. The cross section of one pixel is shown in FIG. Parts having the same functions as those in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals.

保持部2は、N型の半導体領域201と、P型の半導体領域202を含む。P型の半導体領域202は、N型の半導体領域201の上に配される。P型の半導体領域202により界面のノイズを抑制することが可能となる。   The holding unit 2 includes an N-type semiconductor region 201 and a P-type semiconductor region 202. The P-type semiconductor region 202 is disposed on the N-type semiconductor region 201. The P-type semiconductor region 202 can suppress interface noise.

また、第1の転送スイッチ4のゲート電極40は、N型の半導体領域201の上に延在していない。このため、レイアウトの制約が少なくなるため、設計の自由度を高めることができる。   Also, the gate electrode 40 of the first transfer switch 4 does not extend over the N-type semiconductor region 201. As a result, the layout restriction is reduced, and the degree of freedom in design can be increased.

以上に説明した通り、本実施例によれば、実施例1の効果に加え、ノイズを低減することができる。   As described above, according to this embodiment, noise can be reduced in addition to the effects of the first embodiment.

別の実施例を説明する。本実施例では、画素が排出スイッチを有する点が実施例1および実施例2と異なる。そこで、実施例1および実施例2と異なる点のみを説明し、実施例1あるいは実施例2と同様の部分についての説明は省略する。   Another embodiment will be described. The present embodiment differs from the first and second embodiments in that the pixel has an ejection switch. Therefore, only differences from the first embodiment and the second embodiment will be described, and the description of the same portions as the first embodiment or the second embodiment will be omitted.

図7は、撮像装置の画素の等価回路を示している。図1と同様の部分には同じ符号を付してある。なお、図面の簡略化のため、制御線Tx1、および、制御線Tx2の符号は省略してある。制御線Tx1、および、制御線Tx2は実施例1と同様の構成である。   FIG. 7 shows an equivalent circuit of a pixel of the imaging device. The same parts as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In addition, in order to simplify the drawing, reference numerals of the control line Tx1 and the control line Tx2 are omitted. The control line Tx1 and the control line Tx2 have the same configuration as in the first embodiment.

各画素は、排出スイッチ18を有している。排出スイッチ18は、光電変換部1の電荷をオーバーフロードレインなどの電源ノードに排出する。排出スイッチ18には、制御線OFGが接続される。排出スイッチ18は、例えば、MOSトランジスタである。   Each pixel has a discharge switch 18. The discharge switch 18 discharges the charge of the photoelectric conversion unit 1 to a power supply node such as an overflow drain. A control line OFG is connected to the discharge switch 18. The discharge switch 18 is, for example, a MOS transistor.

実施例1では、光電変換部1による電荷の蓄積が、第2の転送スイッチ5をオンからオフへ制御することによって開始される。本実施例では、図9で示すように、排出スイッチ18を制御して、露光開始を制御することも可能である。具体的には、排出スイッチ18をオンからオフへ制御することで、光電変換部1による電荷の蓄積が開始される。これにより、露光時間を自由に設定することが可能である。   In the first embodiment, charge accumulation by the photoelectric conversion unit 1 is started by controlling the second transfer switch 5 from on to off. In this embodiment, as shown in FIG. 9, it is also possible to control the discharge switch 18 to control the start of exposure. Specifically, charge control by the photoelectric conversion unit 1 is started by controlling the discharge switch 18 from on to off. Thereby, it is possible to freely set the exposure time.

図8は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図1および図2と同様の機能を有する部分には同じ符号を付してある。図8は、実施例2と同様に、保持部2がP型の半導体領域202を含む例を示している。図1のように、保持部2にP型の半導体領域202が含まれなくてもよい。   FIG. 8 schematically shows the cross-sectional structure of the imaging device. Parts having the same functions as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. FIG. 8 shows an example in which the holding unit 2 includes the P-type semiconductor region 202 as in the second embodiment. As in FIG. 1, the holding portion 2 may not include the P-type semiconductor region 202.

排出スイッチ18は、オーバーフロー制御電極16とオーバーフロードレイン15とを有する。オーバーフロー制御電極16に供給される電圧に応じて、光電変換部1の電荷がオーバーフロードレイン15に排出される。オーバーフロードレイン15には、所定の電圧が供給される。オーバーフロー制御電極16とオーバーフロードレイン15は、遮光部203によって遮光される。   The discharge switch 18 has an overflow control electrode 16 and an overflow drain 15. The charge of the photoelectric conversion unit 1 is discharged to the overflow drain 15 in accordance with the voltage supplied to the overflow control electrode 16. The overflow drain 15 is supplied with a predetermined voltage. The overflow control electrode 16 and the overflow drain 15 are shielded by the light shielding portion 203.

実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。図9は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図9では、n〜n+2行目の画素の、制御線Tx1、制御線Tx2、および、制御線OFGに供給される駆動パルスが示されている。制御線Tx1、および、制御線Tx2に供給される駆動パルスは、実施例1と同じである。   A driving method of the imaging device of the embodiment will be described. FIG. 9 schematically shows drive pulses used in the present embodiment. FIG. 9 shows drive pulses supplied to the control line Tx1, the control line Tx2, and the control line OFG of the pixels in the nth to n + 2th rows. The drive pulses supplied to the control line Tx1 and the control line Tx2 are the same as in the first embodiment.

駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された制御部が供給する。制御部には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。   When the drive pulse is high, the corresponding transistor or switch is turned on. When the drive pulse is low, the corresponding transistor or switch is turned off. These drive pulses are supplied by a control unit disposed in the imaging device. In the control unit, logic circuits such as shift registers and address decoders are used.

図9(a)と図9(b)とは、排出スイッチ18の動作するタイミングを変更している。図9(a)では、時刻T4に排出スイッチ18をオンからオフに制御している。排出スイッチ18がオンしている間は生じた電荷が排出される。そのため、図9(a)の駆動によれば、露光期間は時刻T4から時刻T3である。図9(b)では、時刻T5に時刻T4に排出スイッチ18をオンからオフに制御している。そのため、図9(b)の駆動によれば、露光期間は時刻T5から時刻T3である。   9 (a) and 9 (b) change the timing at which the discharge switch 18 operates. In FIG. 9A, the discharge switch 18 is controlled from on to off at time T4. While the discharge switch 18 is on, the generated charge is discharged. Therefore, according to the drive of FIG. 9A, the exposure period is from time T4 to time T3. In FIG. 9B, the discharge switch 18 is controlled from on to off at time T4 at time T5. Therefore, according to the drive of FIG. 9B, the exposure period is from time T5 to time T3.

本実施例によれば、被写体の明るさに応じて、駆動方法を変えることができる。例えば、通常は図3の駆動パルスを用い、明るい時は図9(a)の駆動パルスを用い、さらに明るい時は図9(b)の駆動パルスを用いる。   According to this embodiment, the driving method can be changed according to the brightness of the subject. For example, normally, the drive pulse of FIG. 3 is used, the drive pulse of FIG. 9 (a) is used when bright, and the drive pulse of FIG. 9 (b) is used when brighter.

なお、図9(a)においては、時刻T4に光電変換部1による電荷の蓄積が開始される。そして、時刻T4から時刻T3までの間、排出スイッチ18はオフに維持される。また、読み出し動作は、図4に示された駆動パルスに基づいて行われる。   In FIG. 9A, accumulation of charges by the photoelectric conversion unit 1 is started at time T4. Then, the discharge switch 18 is maintained off from time T4 to time T3. Also, the read operation is performed based on the drive pulse shown in FIG.

このように、本実施例によれば、実施例1の効果に加えて、露光期間を自由に設定することができる。   As described above, according to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the exposure period can be set freely.

別の実施例を説明する。本実施例では、光電変換部に光を導く導波路が設けられた点が実施例1乃至実施例3と異なる。そこで、実施例1乃至実施例3と異なる点のみを説明し、実施例1乃至実施例3のいずれかと同様の部分についての説明は省略する。   Another embodiment will be described. The present embodiment is different from Embodiments 1 to 3 in that a waveguide for guiding light to the photoelectric conversion portion is provided. Therefore, only the points different from the first to third embodiments will be described, and the description of the same parts as any of the first to third embodiments will be omitted.

本実施例の等価回路は、実施例1あるいは実施例3と同じである。すなわち、図1および図7は、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。図1および図7についての説明は、それぞれ、実施例1および実施例3と同様なので、省略する。   The equivalent circuit of this embodiment is the same as that of the first embodiment or the third embodiment. That is, FIG. 1 and FIG. 7 show equivalent circuits of pixels of the imaging device of the present embodiment. The descriptions of FIGS. 1 and 7 are the same as in the first and third embodiments, respectively, and are thus omitted.

本実施例の駆動方法は、実施例1あるいは実施例3と同じである。すなわち、排出スイッチがない場合には、図3および図4に示される駆動パルスが用いられる。画素が排出スイッチを有する場合には、図9および図4に示される駆動パルスが用いられる。また、図5は、本実施例の撮像装置の動作を模式的に示している。図3〜5、および、図9についての説明は、それぞれ、実施例1および実施例3と同様なので、省略する。   The driving method of this embodiment is the same as that of the first embodiment or the third embodiment. That is, when there is no discharge switch, the drive pulses shown in FIGS. 3 and 4 are used. If the pixel has an eject switch, the drive pulses shown in FIGS. 9 and 4 are used. FIG. 5 schematically shows the operation of the image pickup apparatus of this embodiment. Descriptions of FIGS. 3 to 5 and FIG. 9 are the same as in the first embodiment and the third embodiment, respectively, and thus are omitted.

図10は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図1、図2、図6、図7、または、図8と同様の部分には同じ符号を付してある。図10は、実施例2と同様に、保持部2がP型の半導体領域202を含み、かつ、実施例3と同様に、画素が排出スイッチ18を含む例を示している。しかし、P型の半導体領域202および排出スイッチ18は省略されてもよい。   FIG. 10 schematically shows the cross-sectional structure of the imaging device. The same parts as in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 6, FIG. 7, or FIG. FIG. 10 shows an example in which the holding unit 2 includes the P-type semiconductor region 202 as in the second embodiment and the pixel includes the discharge switch 18 as in the third embodiment. However, the P-type semiconductor region 202 and the discharge switch 18 may be omitted.

本実施例では、光電変換部1に対応して導波路301が配される。導波路301は、入射した光を光電変換部1に導く。これにより、感度を向上させることができる。特に、斜めに入射する光に対しての感度低下を低減することができる。   In the present embodiment, the waveguide 301 is disposed corresponding to the photoelectric conversion unit 1. The waveguide 301 guides the incident light to the photoelectric conversion unit 1. Thereby, the sensitivity can be improved. In particular, the reduction in sensitivity to obliquely incident light can be reduced.

導波路301には、公知の構造が用いられる。本実施例では、導波路301は、周囲の絶縁膜よりも高い屈折率を有する材料で構成される。例えば、周囲の絶縁膜としては、シリコン酸化膜で構成された層間絶縁膜が用いられ、導波路301にはシリコン窒化膜が用いられる。あるいは、導波路301の周囲に反射層が設けられる。導波路301は、全ての画素の光電変換部1に対応して配されてもよいし、一部の画素の光電変換部1にのみ配されてもよい。   For the waveguide 301, a known structure is used. In the present embodiment, the waveguide 301 is made of a material having a refractive index higher than that of the surrounding insulating film. For example, an interlayer insulating film formed of a silicon oxide film is used as the surrounding insulating film, and a silicon nitride film is used for the waveguide 301. Alternatively, a reflective layer is provided around the waveguide 301. The waveguide 301 may be disposed corresponding to the photoelectric conversion units 1 of all the pixels, or may be disposed only in the photoelectric conversion units 1 of some of the pixels.

カラーフィルタ100と導波路301との間に、層内レンズ302が配されてもよい。層内レンズ302は、カラーフィルタ100を通過した光を導波路301に集光する。層内レンズ302により、感度を向上させることができる。特に、斜めに入射する光に対しての感度低下を低減することができる。   An intralayer lens 302 may be disposed between the color filter 100 and the waveguide 301. The in-layer lens 302 condenses the light passing through the color filter 100 in the waveguide 301. The in-layer lens 302 can improve the sensitivity. In particular, the reduction in sensitivity to obliquely incident light can be reduced.

以上に説明した通り、本実施例によれば、実施例1の効果に加えて、感度を向上させることができる。特に、平面視における保持部2の面積を大きくするため、平面視における光電変換部1の面積を小さくした場合に、感度を向上の効果が顕著である。   As described above, according to this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the sensitivity can be improved. In particular, when the area of the photoelectric conversion unit 1 in planar view is reduced to increase the area of the holding unit 2 in planar view, the effect of improving the sensitivity is remarkable.

別の実施例を説明する。本実施例では、保持部の構造が実施例1乃至実施例4と異なる。そこで、実施例1乃至実施例4と異なる点のみを説明し、実施例1乃至実施例4のいずれかと同様の部分についての説明は省略する。   Another embodiment will be described. The present embodiment differs from the first to fourth embodiments in the structure of the holder. Therefore, only differences from the first to fourth embodiments will be described, and the description of the same parts as any of the first to fourth embodiments will be omitted.

本実施例の等価回路は、実施例1あるいは実施例3と同じである。すなわち、図1および図7は、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。図1および図7についての説明は、それぞれ、実施例1および実施例3と同様なので、省略する。   The equivalent circuit of this embodiment is the same as that of the first embodiment or the third embodiment. That is, FIG. 1 and FIG. 7 show equivalent circuits of pixels of the imaging device of the present embodiment. The descriptions of FIGS. 1 and 7 are the same as in the first and third embodiments, respectively, and are thus omitted.

本実施例の駆動方法は、実施例1あるいは実施例3と同じである。すなわち、排出スイッチがない場合には、図3および図4に示される駆動パルスが用いられる。排出スイッチを有する場合には、図9よび図4に示される駆動パルスが用いられる。また、図5は、本実施例の撮像装置の動作を模式的に示している。図3〜5、および、図9についての説明は、それぞれ、実施例1および実施例3と同様なので、省略する。   The driving method of this embodiment is the same as that of the first embodiment or the third embodiment. That is, when there is no discharge switch, the drive pulses shown in FIGS. 3 and 4 are used. When the discharge switch is provided, the drive pulses shown in FIGS. 9 and 4 are used. FIG. 5 schematically shows the operation of the image pickup apparatus of this embodiment. Descriptions of FIGS. 3 to 5 and FIG. 9 are the same as in the first embodiment and the third embodiment, respectively, and thus are omitted.

図11は、撮像装置の断面構造を模式的に示している。図1、図2、図6、図7、図8、または、図10と同様の部分には同じ符号を付してある。図11は、実施例2と同様に、保持部2がP型の半導体領域202を含み、かつ、実施例3と同様に、画素が排出スイッチ18を含む例を示している。しかし、P型の半導体領域202および排出スイッチ18は省略されてもよい。また、図11は、導波路301および層内レンズ302が配された例を示している。しかし、導波路301および層内レンズ302は省略されてもよい。   FIG. 11 schematically shows the cross-sectional structure of the imaging device. The same parts as those in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 6, FIG. 7, FIG. 8, or FIG. FIG. 11 shows an example in which the holding unit 2 includes the P-type semiconductor region 202 as in the second embodiment and the pixel includes the discharge switch 18 as in the third embodiment. However, the P-type semiconductor region 202 and the discharge switch 18 may be omitted. Further, FIG. 11 shows an example in which the waveguide 301 and the intralayer lens 302 are disposed. However, the waveguide 301 and the intralayer lens 302 may be omitted.

本実施例では、保持部2に含まれ、電荷を保持するN型の半導体領域201の下に、P型の半導体領域303、および、P型の半導体領域304が配される。P型の半導体領域304はP型の半導体領域303の下に配される。P型の半導体領域303の不純物濃度は、P型の半導体領域304の不純物濃度より高い。このような構成により、基板の深部の電荷がN型の半導体領域201に侵入することを防ぐことができる。結果として、ノイズを低減することができる。   In this embodiment, the P-type semiconductor region 303 and the P-type semiconductor region 304 are disposed under the N-type semiconductor region 201 which is included in the holding unit 2 and holds the charge. The P-type semiconductor region 304 is disposed below the P-type semiconductor region 303. The impurity concentration of the P-type semiconductor region 303 is higher than the impurity concentration of the P-type semiconductor region 304. Such a configuration can prevent charges in the deep portion of the substrate from intruding into the N-type semiconductor region 201. As a result, noise can be reduced.

また、本実施例では、P型の半導体領域304が、P型の半導体領域17に到達するまで延在している。このような構成により、画素間の電荷の混色を低減することが可能である。   Further, in the present embodiment, the P-type semiconductor region 304 extends until reaching the P-type semiconductor region 17. With such a configuration, it is possible to reduce color mixture of charges between pixels.

以上に説明した通り、本実施例によれば、実施例1の効果に加えて、ノイズを低減することができる。   As described above, according to this embodiment, noise can be reduced in addition to the effects of the first embodiment.

別の実施例を説明する。本実施例では、駆動方法が実施例1乃至実施例5と異なる。そこで、実施例1乃至実施例5と異なる点のみを説明し、実施例1乃至実施例5のいずれかと同様の部分についての説明は省略する。   Another embodiment will be described. The present embodiment differs from the first to fifth embodiments in the driving method. Therefore, only differences from the first to fifth embodiments will be described, and description of the same parts as any of the first to fifth embodiments will be omitted.

本実施例の等価回路は、実施例1あるいは実施例3と同じである。すなわち、図1および図7は、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。図1および図7についての説明は、それぞれ、実施例1および実施例3と同様なので省略する。   The equivalent circuit of this embodiment is the same as that of the first embodiment or the third embodiment. That is, FIG. 1 and FIG. 7 show equivalent circuits of pixels of the imaging device of the present embodiment. Descriptions of FIG. 1 and FIG. 7 are the same as in the first embodiment and the third embodiment, respectively, and thus are omitted.

本実施例の画素の断面構造は、実施例1乃至実施例5と同じである。すなわち、図2、図6、図8、図10、および、図11は、本実施例の画素の断面構造を模式的に示している。   The cross-sectional structure of the pixel of this embodiment is the same as that of the first to fifth embodiments. That is, FIG. 2, FIG. 6, FIG. 8, FIG. 10, and FIG. 11 schematically show the cross-sectional structure of the pixel of this embodiment.

実施例の撮像装置の駆動方法について説明する。図12は、本実施例で用いられる駆動パルスを模式的に示している。図12では、n〜n+2行目の画素の、制御線Tx1、制御線Tx2、および、制御線OFGに供給される駆動パルスが示されている。制御線Tx1、制御線Tx2、および、制御線OFGに供給される駆動パルスは、実施例1または実施例3と同じである。なお、画素が排出スイッチ18を有していない場合は、制御線OFGに供給する駆動パルスは不要である。   A driving method of the imaging device of the embodiment will be described. FIG. 12 schematically shows drive pulses used in the present embodiment. FIG. 12 shows drive pulses supplied to the control line Tx1, the control line Tx2, and the control line OFG of the pixels in the nth to n + 2th rows. The drive pulses supplied to the control line Tx1, the control line Tx2, and the control line OFG are the same as in the first embodiment or the third embodiment. If the pixel does not have the discharge switch 18, the drive pulse supplied to the control line OFG is unnecessary.

駆動パルスがハイレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオンする。駆動パルスがローレベルの時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフする。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された制御部が供給する。制御部には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。   When the drive pulse is high, the corresponding transistor or switch is turned on. When the drive pulse is low, the corresponding transistor or switch is turned off. These drive pulses are supplied by a control unit disposed in the imaging device. In the control unit, logic circuits such as shift registers and address decoders are used.

本実施例では、第2の期間の一部に、第1の転送スイッチ4がオフになる。具体的には、時刻T6において、第1の転送スイッチ4がオンからオフへ制御される。その後、時刻T7において、第1の転送スイッチ4がオフからオンへ制御される。このような構成により、第1の転送スイッチ4がオンしている期間を短くすることができる。その結果、第1の転送スイッチ4で生じるノイズを低減することができる。   In the present embodiment, the first transfer switch 4 is turned off in part of the second period. Specifically, at time T6, the first transfer switch 4 is controlled from on to off. Thereafter, at time T7, the first transfer switch 4 is controlled from off to on. With such a configuration, the period during which the first transfer switch 4 is on can be shortened. As a result, noise generated in the first transfer switch 4 can be reduced.

本実施例では、時刻T8に、再び、第1の転送スイッチ4をオフからオンへ制御している。このように、第1の転送スイッチ4のオフからオンへの制御が、第2の期間に複数回行われる。このような構成により、さらにノイズを低減することができる。   In the present embodiment, at time T8, the first transfer switch 4 is controlled from off to on again. As described above, the control from the off to the on of the first transfer switch 4 is performed multiple times in the second period. Such a configuration can further reduce noise.

また、このオフからオンへの制御の回数は、光電変換部1の飽和電荷量に対する保持部2の飽和電荷量の比と同じか、それよりも大きいことが好ましい。本実施例では、光電変換部1の飽和電荷量に対する保持部2の飽和電荷量の比が4である。そのため、第1の転送スイッチ4のオフからオンへの制御は、第2の期間に4回行われる。   Further, the number of times of control from off to on is preferably equal to or larger than the ratio of the saturation charge amount of the holding unit 2 to the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1. In the present embodiment, the ratio of the saturation charge amount of the holding unit 2 to the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1 is four. Therefore, control from the off to on of the first transfer switch 4 is performed four times in the second period.

以上に説明した通り、本実施例によれば、実施例1の効果に加えて、ノイズを低減することができる。   As described above, according to this embodiment, noise can be reduced in addition to the effects of the first embodiment.

別の実施例を説明する。本実施例では、駆動方法が実施例1と異なる。そこで、実施例1と異なる点のみを説明し、実施例1と同様の部分についての説明は省略する。   Another embodiment will be described. In the present embodiment, the driving method is different from that of the first embodiment. Therefore, only differences from the first embodiment will be described, and the description of the same parts as the first embodiment will be omitted.

本実施例の等価回路は、実施例1と同じである。すなわち、図1は、本実施例の撮像装置の画素の等価回路を示している。図1についての説明は実施例1と同様なので省略する。   The equivalent circuit of this embodiment is the same as that of the first embodiment. That is, FIG. 1 shows an equivalent circuit of a pixel of the imaging device of this embodiment. The description of FIG.

本実施例の画素の断面構造は、実施例1と同じである。すなわち、図2は、本実施例の画素の断面構造を模式的に示している。図2についての説明は実施例1と同様なので省略する。   The sectional structure of the pixel of this embodiment is the same as that of the first embodiment. That is, FIG. 2 schematically shows the cross-sectional structure of the pixel of this embodiment. The description of FIG.

図13は、本実施例の撮像装置の動作を模式的に表している。図13には、第nフレームから第n+1フレームまでの撮像動作が示されている。第nフレームに関する動作は実線で、第n+1フレームに関する動作は点線で示されている。図13には、各フレームでの露光期間、光電変換部1が電荷を蓄積している期間、および、保持部2が電荷を保持している期間が示されている。さらに、図13は読み出し動作を示している。図13における読み出し動作とは、図3および図4で説明した、第2の転送スイッチ5による電荷の転送と、増幅部10による信号の出力とを含む動作である。なお、図13では、第1の期間と第2の期間とが等しい。   FIG. 13 schematically shows the operation of the imaging device of this embodiment. FIG. 13 shows imaging operations from the nth frame to the n + 1th frame. The operation for the nth frame is shown by a solid line, and the operation for the n + 1th frame is shown by a dotted line. FIG. 13 shows an exposure period in each frame, a period in which the photoelectric conversion unit 1 stores electric charge, and a period in which the holding unit 2 holds electric charge. Further, FIG. 13 shows the read operation. The read operation in FIG. 13 is an operation including the transfer of charge by the second transfer switch 5 and the output of a signal by the amplification unit 10 described with reference to FIGS. 3 and 4. In FIG. 13, the first period is equal to the second period.

図13が示す通り、複数の画素の読み出し動作は、対応する露光期間が終了した後に、言い換えると、第1の期間と第2の期間とが経過した後に行われる。読み出し動作が行われる期間には、電荷が蓄積されない。この実施例において、露光期間は、第1の期間と第2の期間の合計である。   As shown in FIG. 13, the read operation of the plurality of pixels is performed after the corresponding exposure period ends, in other words, after the first period and the second period have elapsed. Charge is not accumulated during the read operation. In this embodiment, the exposure period is the sum of the first period and the second period.

このような動作の場合、保持部2の飽和電荷量Aに対する光電変換部1の飽和電荷量Aの比は、第1の期間Pと第2の期間Pとの合計に対する第1の期間Pの比とほぼ等しいことが好ましい。つまり、A1、A2、P1、P2が式(5)を満足することが好ましい。 For such an operation, the ratio of the saturation charge amount A 1 of the photoelectric conversion unit 1 to the saturated charge amount A 2 of the holder 2, the first to the sum of the first period P 1 and the second period P 2 it is preferably substantially equal to the ratio of the period P 1 of the. That is, it is preferable that A1, A2, P1, and P2 satisfy Formula (5).

例えば、本実施例では、光電変換部1が電荷を蓄積する期間、つまり、第1の期間が、1回の露光期間の半分である。そうすると、保持部2の飽和電荷量は、光電変換部1の飽和電荷量の2倍程度でよい。保持部2がそれよりも大きな飽和電荷量を持っていても、光電変換部1において電荷があふれてしまうからである。したがって、上述の式(4)で表される飽和電荷量の比とすることで、光電変換部1と保持部2のサイズを最適化することができる。   For example, in the present embodiment, a period in which the photoelectric conversion unit 1 stores charges, that is, a first period is half of one exposure period. Then, the saturation charge amount of the holding unit 2 may be about twice the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit 1. This is because the charge overflows in the photoelectric conversion unit 1 even if the holding unit 2 has a saturation charge amount larger than that. Therefore, the size of the photoelectric conversion part 1 and the holding part 2 can be optimized by setting it as ratio of the amount of saturation charges represented by the above-mentioned Formula (4).

本発明に係る撮像システムの実施例について説明する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などがあげられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図16に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。   An embodiment of an imaging system according to the present invention will be described. Examples of imaging systems include digital still cameras, digital camcorders, copiers, fax machines, mobile phones, in-vehicle cameras, observation satellites, and the like. A camera module including an optical system such as a lens and an imaging device is also included in the imaging system. FIG. 16 shows a block diagram of a digital still camera as an example of an imaging system.

図16において、1001はレンズの保護のためのバリア、1002は被写体の光学像を撮像装置1004に結像させるレンズ、1003はレンズ1002を通った光量を可変するための絞りである。1004は上述の各実施例で説明した撮像装置であって、レンズ1002により結像された光学像を画像データとして変換する。ここで、撮像装置1004の半導体基板にはAD変換部が形成されているものとする。1007は撮像装置1004より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部である。そして、図16において、1008は撮像装置1004および信号処理部1007に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、1009はデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御部である。1010は画像データを一時的に記憶する為のフレームメモリ部、1011は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、1012は撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。そして、1013は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。ここで、タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置1004と、撮像装置1004から出力された撮像信号を処理する信号処理部1007とを有すればよい。   In FIG. 16, reference numeral 1001 denotes a barrier for protecting the lens, 1002 denotes a lens for forming an optical image of an object on an imaging device 1004, and 1003 denotes a stop for varying the amount of light passing through the lens 1002. An image pickup apparatus 1004 described in each of the above-described embodiments converts an optical image formed by the lens 1002 as image data. Here, it is assumed that an AD conversion unit is formed on the semiconductor substrate of the imaging device 1004. A signal processing unit 1007 compresses various corrections and data in the imaging data output from the imaging device 1004. Referring to FIG. 16, a timing generation unit 1008 outputs various timing signals to the image pickup apparatus 1004 and the signal processing unit 1007, and a general control unit 1009 controls the entire digital still camera. Reference numeral 1010 denotes a frame memory unit for temporarily storing image data, 1011 an interface unit for recording or reading out on a recording medium, and 1012 a detachable semiconductor memory or the like for recording or reading out imaging data It is a recording medium. An interface unit 1013 communicates with an external computer or the like. Here, timing signals and the like may be input from the outside of the imaging system, and the imaging system may include at least the imaging device 1004 and a signal processing unit 1007 that processes the imaging signal output from the imaging device 1004.

本実施例では、撮像装置1004とAD変換部とが同一の半導体基板に形成された構成を説明した。しかし、撮像装置1004とAD変換部とが別の半導体基板に設けられていてもよい。また、撮像装置1004と信号処理部1007とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。   In the present embodiment, the configuration in which the imaging device 1004 and the AD conversion unit are formed on the same semiconductor substrate has been described. However, the imaging device 1004 and the AD conversion unit may be provided on different semiconductor substrates. In addition, the imaging device 1004 and the signal processing unit 1007 may be formed on the same semiconductor substrate.

1 光電変換部
2 保持部
4 第1の転送スイッチ
5 第2の転送スイッチ
8 出力線
10 増幅部
REFERENCE SIGNS LIST 1 photoelectric conversion unit 2 holding unit 4 first transfer switch 5 second transfer switch 8 output line 10 amplification unit

Claims (19)

入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第1の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第2の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、
前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、
第1の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、
前記第1の時刻から第2の時刻まで、前記複数の画素の前記第1の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記第1の時刻から前記第2の時刻までの第1の期間に、前記複数の画素の前記光電変換部が前記第1の期間に生じた電荷を蓄積し、
前記第2の時刻から第3の時刻までの第2の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記保持部が、前記光電変換部において前記第1の期間に生じた電荷、および、前記光電変換部において前記第2の期間に生じた電荷を保持し、
前記第3の時刻に、前記複数の画素の前記第1の転送スイッチがオンからオフに制御され、
前記光電変換部の飽和電荷量A1、前記光電変換部の空乏化電圧と前記保持部の空乏化電圧との差によって規定される前記保持部の飽和電荷量A2、前記第1の期間P1、前記第2の期間P2が、次の関係を満たす、

ことを特徴とする撮像装置。
A photoelectric conversion unit for accumulating charge generated by incident light, a holding unit for holding the charge, an amplification unit for outputting a signal based on the charge, and transferring the charge from the photoelectric conversion unit to the holding unit A plurality of pixels each having a first transfer switch, and a second transfer switch for transferring the charge from the holding unit to the amplification unit;
An output line through which a signal from the amplification unit of the plurality of pixels is output;
At a first time, the photoelectric conversion units of the plurality of pixels start to store the charge;
The first transfer switch of the plurality of pixels is kept off from the first time to the second time, and in a first period from the first time to the second time, The photoelectric conversion units of the plurality of pixels accumulate charges generated in the first period;
The charge generated in the first period in the photoelectric conversion portion by the holding portion of the plurality of pixels in at least a part of the second period from the second time to the third time, and Holding the charge generated in the second period in the photoelectric conversion unit,
At the third time, the first transfer switches of the plurality of pixels are controlled from on to off,
A saturated charge amount A1 of the photoelectric conversion portion, a saturated charge amount A2 of the holding portion defined by a difference between a depletion voltage of the photoelectric conversion portion and a depletion voltage of the holding portion, the first period P1, The second period P2 satisfies the following relationship:

An imaging device characterized by
入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ前記電荷を転送する第1の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第2の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素と、
前記複数の画素の前記増幅部からの信号が出力される出力線と、を有し、
第1の時刻において、前記複数の画素の前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始し、
前記第1の時刻から第2の時刻まで、前記複数の画素の前記第1の転送スイッチがオフに維持され、かつ、前記第1の時刻から前記第2の時刻までの第1の期間に、前記複数の画素の前記光電変換部が前記第1の期間に生じた電荷を蓄積し、
前記第2の時刻から第3の時刻までの第2の期間の少なくとも一部に、前記複数の画素の前記保持部が、前記光電変換部において前記第1の期間に生じた電荷、および、前記光電変換部において前記第2の期間に生じた電荷を保持し、
前記第3の時刻に、前記複数の画素の前記第1の転送スイッチがオンからオフに制御され、
前記光電変換部の飽和電荷量A1、入射光量に対して前記増幅部の出力が線形に変化する範囲で前記保持部に保持される電荷量A2、前記第1の期間P1、前記第2の期間P2が、次の関係を満たす、

ことを特徴とする撮像装置。
A photoelectric conversion unit for accumulating charge generated by incident light, a holding unit for holding the charge, an amplification unit for outputting a signal based on the charge, and transferring the charge from the photoelectric conversion unit to the holding unit A plurality of pixels each having a first transfer switch, and a second transfer switch for transferring the charge from the holding unit to the amplification unit;
An output line through which a signal from the amplification unit of the plurality of pixels is output;
At a first time, the photoelectric conversion units of the plurality of pixels start to store the charge;
The first transfer switch of the plurality of pixels is kept off from the first time to the second time, and in a first period from the first time to the second time, The photoelectric conversion units of the plurality of pixels accumulate charges generated in the first period;
The charge generated in the first period in the photoelectric conversion portion by the holding portion of the plurality of pixels in at least a part of the second period from the second time to the third time, and Holding the charge generated in the second period in the photoelectric conversion unit,
At the third time, the first transfer switches of the plurality of pixels are controlled from on to off,
The saturated charge amount A1 of the photoelectric conversion unit, the charge amount A2 held by the holding unit in a range where the output of the amplification unit changes linearly with the amount of incident light, the first period P1, the second period P2 satisfies the following relationship,

An imaging device characterized by
前記複数の画素のそれぞれが、前記光電変換部の電荷を排出する排出スイッチを有し、
前記第1の時刻から前記第2の時刻まで、前記少なくとも1つの画素の前記排出スイッチがオフに維持される、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の撮像装置。
Each of the plurality of pixels has a discharge switch that discharges the charge of the photoelectric conversion unit,
The discharge switch of the at least one pixel is kept off from the first time to the second time,
The imaging device according to claim 1 or 2, wherein
前記排出スイッチをオンからオフへ制御することによって、前記電荷の蓄積を開始する、
ことを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。
Start the charge accumulation by controlling the discharge switch from on to off,
The imaging device according to claim 3, characterized in that:
前記第1の転送スイッチをオンからオフへ制御することによって、前記電荷の蓄積を開始する、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の撮像装置。
Starting the charge accumulation by controlling the first transfer switch from on to off,
The imaging device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:
遅くとも前記第2の時刻までに、前記複数の画素の前記第1の転送スイッチがオンに制御され、
前記第2の期間の一部において、前記第1の転送スイッチがオフに制御される、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の撮像装置。
The first transfer switch of the plurality of pixels is controlled to be turned on by the second time at the latest,
The first transfer switch is controlled to be off in a part of the second period,
The imaging device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:
前記第2の期間において、前記第1の転送スイッチのオフからオンへの制御を複数回行う、
ことを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。
In the second period, the first transfer switch is controlled from off to on a plurality of times,
The imaging device according to claim 6,
前記複数回は、前記光電変換部の飽和電荷量に対する前記保持部の飽和電荷量の比よりも大きい、
ことを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。
The plurality of times is larger than the ratio of the saturation charge amount of the holding unit to the saturation charge amount of the photoelectric conversion unit,
The imaging device according to claim 7, characterized in that:
前記第2の時刻から前記第3の時刻まで、前記複数の画素の前記第1のスイッチをオンに維持する、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の撮像装置。
The first switches of the plurality of pixels are kept on from the second time to the third time,
The imaging device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that:
前記保持部は、前記電荷を保持する第1導電型の第1の半導体領域を含む、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載の撮像装置。
The holding unit includes a first semiconductor region of a first conductivity type that holds the charge.
The imaging device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that:
前記保持部は、前記第1の半導体領域の上に配された第2導電型の第2の半導体領域を含む、
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。
The holding portion includes a second semiconductor region of a second conductivity type disposed on the first semiconductor region.
The imaging device according to claim 10, characterized in that:
前記保持部は、前記第1の半導体領域の下に配された第2導電型の第3の半導体領域、および、前記第3の半導体領域の下に配された第2導電型の第4の半導体領域を含み、
前記第3の半導体領域の不純物濃度が、前記第4の半導体領域の不純物濃度より高い、
ことを特徴とする請求項10または請求項11に記載の撮像装置。
The holding portion includes a third semiconductor region of a second conductivity type disposed below the first semiconductor region, and a fourth conductivity type of a second conductivity type disposed below the third semiconductor region. Including semiconductor regions,
The impurity concentration of the third semiconductor region is higher than the impurity concentration of the fourth semiconductor region,
The imaging device according to claim 10 or 11, characterized in that:
前記複数の画素のそれぞれの前記光電変換部に対応して配された導波路を有する、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の撮像装置。
And a waveguide disposed corresponding to the photoelectric conversion unit of each of the plurality of pixels.
The imaging device according to any one of claims 1 to 12, characterized in that:
前記第1の期間に、前記複数の画素の前記第2の転送スイッチが、順次、オンし、かつ、前記複数の画素の前記増幅部が、順次、前記信号を前記出力線へ出力する、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項13のいずれか一項に記載の撮像装置。
In the first period, the second transfer switches of the plurality of pixels are sequentially turned on, and the amplification units of the plurality of pixels sequentially output the signal to the output line.
The imaging device according to any one of claims 1 to 13, characterized in that:
前記第2の時刻に、前記複数の画素の前記第1のスイッチをオフからオンへ制御する、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項14のいずれか一項に記載の撮像装置。
Controlling the first switch of the plurality of pixels from off to on at the second time;
The imaging device according to any one of claims 1 to 14, characterized in that:
前記第1の期間に、前記増幅部による前記信号の出力が終わった画素から順に、前記第1の転送スイッチがオフからオンへ制御される、
ことを特徴とする請求項14に記載の撮像装置。
In the first period, the first transfer switch is controlled from off to on sequentially from the pixel at which the output of the signal by the amplification unit ends.
The imaging device according to claim 14, characterized in that:
前記光電変換部の飽和電荷量A1、前記保持部の飽和電荷量A2、前記第1の期間P1、前記第2の期間P2が、次の関係を満たす、

ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
The saturated charge amount A1 of the photoelectric conversion unit, the saturated charge amount A2 of the holding unit, the first period P1, and the second period P2 satisfy the following relationship:

The imaging device according to claim 1,
前記飽和電荷量A1、前記電荷量A2、前記第1の期間P1、前記第2の期間P2が、次の関係を満たす、

ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
The saturation charge amount A1, the charge amount A2, the first period P1, and the second period P2 satisfy the following relationship:

The imaging device according to claim 2, characterized in that:
請求項1乃至請求項18のいずれか一項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置からの信号を処理する信号処理装置と、を備える、
ことを特徴とする撮像システム。
An imaging apparatus according to any one of claims 1 to 18.
A signal processing device that processes a signal from the imaging device;
An imaging system characterized by
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