JPH11355668A - 固体撮像素子およびその駆動方法、並びにカメラシステム - Google Patents

固体撮像素子およびその駆動方法、並びにカメラシステム

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JPH11355668A JP10159050A JP15905098A JPH11355668A JP H11355668 A JPH11355668 A JP H11355668A JP 10159050 A JP10159050 A JP 10159050A JP 15905098 A JP15905098 A JP 15905098A JP H11355668 A JPH11355668 A JP H11355668A
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和也 米本
Ryoji Suzuki
亮司 鈴木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 増幅機能を持つ単位画素において、構成素子
数が多いと、画素サイズの縮小化の妨げとなる。 【解決手段】 行列状に配置された単位画素１０ｎ，ｍ
を、フォトダイオード１１と、このフォトダイオード１
１に蓄積された電荷を転送する転送スイッチ１２と、こ
の転送スイッチ１２によって転送された電荷を蓄積する
フローティングディフュージョン１３と、このフローテ
ィングディフュージョン１３をリセットするリセットス
イッチ１４と、フローティングディフュージョン１３の
電位に応じた信号を垂直信号線２３に出力する増幅トラ
ンジスタ１５とによって構成し、リセットスイッチ１４
のドレインに垂直選択パルスφＶｎを与えることによっ
てそのリセット電位をコントロールすることにより、行
単位で画素の選択を行うようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子およ
びその駆動方法、並びにカメラシステムに関し、特に行
列状に配置された単位画素ごとに増幅機能を持つＣＭＯ
Ｓイメージセンサなどの増幅型固体撮像素子およびその
駆動方法、並びに撮像デバイスとして増幅型固体撮像素
子を用いたカメラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】増幅型固体撮像素子、例えばＣＭＯＳイ
メージセンサには、種々の画素構造のものが存在する。
その一例として、画素内部にフローティングディフュー
ジョン（Floating Diffusion；ＦＤ）を持った画素構造
が知られている。この画素構造では、フローティングデ
ィフュージョンで信号が増幅されるため、感度を大きく
とれる利点がある。この種の画素構造の従来例を図１８
に示す。
【０００３】同図において、行列状に配置される単位画
素１００の各々は、フォトゲート１０１、転送スイッチ
１０２、フローティングディフュージョン１０３、リセ
ットトランジスタ１０４、増幅トランジスタ１０５およ
び垂直選択トランジスタ１０６を有している。そして、
垂直選択トランジスタ１０６が垂直選択線１１１を介し
て与えられる垂直選択パルスに応答して単位画素１００
を行単位で選択することにより、増幅トランジスタ１０
５で増幅された信号を垂直信号線１１２に出力する構成
となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、画素サイズ
の縮小化を図るためには、単位画素１００を構成する素
子数を少なくする必要がある。しかしながら、上述した
従来例に係るＣＭＯＳイメージセンサの画素構造では、
フローティングディフュージョン１０３の電位を行単位
で選択して垂直信号線１１２に出力するのに、リセット
トランジスタ１０４、増幅トランジスタ１０５および垂
直選択トランジスタ１０６の３個のトランジスタを各画
素ごとに用いた構成となっているため、素子数が多く、
画素サイズを縮小化するのに限界があった。
【０００５】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、増幅機能を持つ単位
画素の構成素子数を削減し、画素サイズの縮小化を可能
とした固体撮像素子およびその駆動方法、並びにカメラ
システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像素
子は、光電変換素子と、この光電変換素子に蓄積された
電荷を転送する転送スイッチと、この転送スイッチによ
って転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、この電荷
蓄積部をリセットするリセットスイッチと、電荷蓄積部
の電位に応じた信号を垂直信号線に出力する増幅素子と
を具備し、行列状に配置された単位画素と、上記リセッ
トスイッチに与えるリセット電位をコントロールするこ
とによって行単位で画素の選択を行う垂直走査回路と、
垂直信号線に出力された信号を列単位で順次選択する水
平走査回路と、この水平走査回路によって選択された信
号を水平信号線を経由して出力する出力回路とを備えた
構成となっている。
【０００７】上記構成の固体撮像素子において、単位画
素におけるリセットスイッチに与えるリセット電位を、
画素の非選択時に例えば０Ｖとすることにより、電荷蓄
積部の電位は“Ｌ”レベルとなる。そして、リセットス
イッチに与えるリセット電位を例えば画素電源電圧にす
ることによって画素の選択が行われ、次いでリセットパ
ルスが発生することによって電荷蓄積部の電位が画素電
源電圧にリセットされる。すなわち、リセット電位をコ
ントロールすることによって電荷蓄積部の電位がコント
ロールされる。その後、光電変換素子に蓄積された信号
電荷が転送スイッチによって電荷蓄積部に転送され、こ
の転送に伴って変化する電荷蓄積部の電位が増幅素子に
よって垂直信号線に読み出される。
【０００８】本発明による固体撮像素子の駆動方法は、
行列状に配置された単位画素が、光電変換素子と、この
光電変換素子に蓄積された電荷を転送する転送スイッチ
と、この転送スイッチによって転送された電荷を蓄積す
る電荷蓄積部と、この電荷蓄積部をリセットするリセッ
トスイッチと、電荷蓄積部の電位に応じた信号を垂直信
号線に出力する増幅素子とを具備してなる固体撮像素子
において、リセットスイッチに与えるリセット電位をコ
ントロールすることによって行単位で画素の選択を行う
ようにする。
【０００９】画素ごとに増幅機能を持つ固体撮像素子に
おいて、電荷蓄積部をリセットするリセットスイッチに
与えるリセット電位をコントロールすることで、電荷蓄
積部の電位がコントロールされる。これにより、垂直
（行）選択のための素子が存在しなくても画素が行単位
で選択される。すなわち、リセットスイッチが画素を行
単位で選択する作用をもなす。したがって、単位画素内
から垂直選択のための素子を削減できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１１】図１は、本発明の第１実施形態に係るＣＭ
ＯＳイメージセンサを示す概略構成図である。図１にお
いて、単位画素１０が２次元配置されて画素部を構成し
ており、ここでは簡略化のために、ｎ行ｍ列の単位画素
１０ｎ，ｍおよびｎ＋１行ｍ列の単位画素１０ｎ＋１，
ｍの２画素のみを示す。単位画素１０の画素構造は全て
の画素について同じであり、以下、ｎ行ｍ列の単位画素
１０ｎ，ｍの画素構造を例にとって説明するものとす
る。
【００１２】単位画素１０ｎ，ｍは、光電変換素子であ
る例えばフォトダイオード１１、転送スイッチ１２、電
荷蓄積部であるフローティングディフュージョン（Ｆ
Ｄ）１３、リセットスイッチ１４および増幅トランジス
タ１５を有する構成となっている。なお、光電変換素子
としては、フォトダイオード１１に代えてフォトゲート
や埋め込みフォトダイオードなどを用いることも可能で
ある。
【００１３】また、本例では、転送スイッチ１２として
Ｎｃｈエンハンスメント型トランジスタが、リセットス
イッチ１４としてＮｃｈデプレッション型トランジスタ
が、増幅トランジスタ１５としてＮｃｈエンハンスメン
ト型トランジスタがそれぞれ用いられる。ただし、これ
らトランジスタの全てもしくは一部をＰｃｈトランジス
タで置き換えた回路構成とすることも可能である。
【００１４】この単位画素１０ｎ，ｍにおいて、フォト
ダイオード１１はＰＮ接合ダイオードであり、入射光を
その光量に応じた電荷量の信号電荷に光電変換し、これ
を蓄積する。転送スイッチ１２は、フォトダイオード１
１とフローティングディフュージョン１３の間に接続さ
れ、フォトダイオード１１に蓄積された信号電荷をフロ
ーティングディフュージョン１３へ転送する。フローテ
ィングディフュージョン１３は、転送された信号電荷を
信号電圧に変換し、増幅トランジスタ１５のゲートに与
える。
【００１５】リセットスイッチ１４は、フローティング
ディフュージョン１３と垂直選択線２１の間に接続さ
れ、フローティングディフュージョン１３の電位を画素
電源の電位にリセットする機能を持つ。増幅トランジス
タ１５は、電源ライン２２と垂直信号線２３の間に接続
され、フローティングディフュージョン１３の電位を増
幅して垂直信号線２３に出力する。なお、本例では、画
素電源として例えば３．３Ｖの電源を用いるが、これに
限定されるものではない。
【００１６】図２に、第１実施形態に係る単位画素１０
および垂直信号線２３のポテンシャル分布を示す。同図
において、ＰＤはフォトダイオード１１を、ＴＳは転送
スイッチ１２を、ＦＤはフローティングディフュージョ
ン１３を、ＲＳはリセットスイッチ１４を、ＡＴは増幅
トランジスタ１５をそれぞれ表している。そして、フロ
ーティングディフュージョン１３および増幅トランジス
タ１５のポテンシャルについては、選択時のポテンシャ
ル動作範囲を実線で、非選択時も含めたポテンシャル動
作範囲を破線でそれぞれ示している。
【００１７】垂直走査回路２４は、単位画素１０を行単
位で選択するために設けられたものであり、例えばシフ
トレジスタによって構成されている。この垂直走査回路
２４からは、垂直選択パルスφＶ（…，φＶｎ，φＶｎ
＋１，…）、転送パルスφＴ（…，φＴｎ，φＴｎ＋
１，…）およびリセットパルスφＲ（…，φＲｎ，φＲ
ｎ＋１，…）が出力される。
【００１８】そして、垂直選択パルスφＶ（…，φＶ
ｎ，φＶｎ＋１，…）は垂直選択線２１を介してリセッ
トスイッチ１４のドレインに、転送パルスφＴ（…，φ
Ｔｎ，φＴｎ＋１，…）は転送線２５を介して転送スイ
ッチ１２のゲートに、リセットパルスφＲ（…，φＲ
ｎ，φＲｎ＋１，…）はリセット線２６を介してリセッ
トスイッチ１４のゲートにそれぞれ印加される。
【００１９】垂直信号線２３の端部には、垂直信号線出
力回路２７が各列ごとに接続されている。この垂直信号
線出力回路２７としては、例えば電圧モード型の出力回
路が用いられる。垂直信号線出力回路２７には、水平走
査回路２８から水平選択パルスφＨ（…，φＨｍ，…）
が与えられる。この水平走査回路２８は、単位画素１０
を列単位で選択するために設けられたものであり、例え
ばシフトレジスタによって構成されている。
【００２０】垂直信号線出力回路２７の出力端は、水平
信号線２９に接続されている。この水平信号線２９に
は、単位画素１０から垂直信号線２３を介して垂直信号
線出力回路２７に読み出された１行分の信号が、水平走
査回路２８の水平走査によって垂直信号線出力回路２７
から順次出力される。水平信号線２９の端部には水平信
号線出力回路３０の入力端が接続されている。
【００２１】次に、上記構成の第１実施形態に係るＣＭ
ＯＳイメージセンサにおける画素動作について、ｎライ
ン（ｎ行）の画素の選択時を例にとって図３のタイミン
グチャートを用いて図４および図５のポテンシャル図を
参照しつつ説明する。
【００２２】時刻ｔ１までの期間（ｔ＜ｔ１）は非選択
状態である。この非選択状態においては、垂直選択パル
スφＶｎは“Ｌ”レベル（０Ｖ）にあり、またリセット
スイッチ（ＲＳ）１４がオフ状態にあるため、フローテ
ィングディフュージョン（ＦＤ）１３の電位は０Ｖとな
る。
【００２３】時刻ｔ１になると、垂直選択パルスφＶｎ
が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベル（３．３Ｖ）に遷移
し、同時に、リセットパルスφＲｎが発生すると、これ
に応答してリセットスイッチ１４がオン状態となり、０
Ｖであったｎライン目のフローティングディフュージョ
ン１３の電位を３．３Ｖにリセットする。この結果、増
幅トランジスタ（ＡＴ）１５がターンオンするため、ｎ
ライン目の画素が選択状態となる（ｔ１＜ｔ＜ｔ２）。
【００２４】時刻ｔ２になり、リセットパルスφＲｎが
消滅すると、このリセットされた状態のフローティング
ディフュージョン１３の読み出しが行われる。これによ
り、画素ごとに異なっているオフセットレベル（以下、
これをノイズレベルと呼ぶ）が、増幅トランジスタ１５
によって垂直信号線２３に読み出され、かつ垂直信号線
出力回路２７に出力される（ｔ２＜ｔ＜ｔ３）。この読
み出されたノイズレベルは、垂直信号線出力回路２７内
に保持（サンプルホールド）される。
【００２５】時刻ｔ３になり、転送パルスφＴｎが発生
すると、転送スイッチ（ＴＳ）１２は、そのゲートに転
送パルスφＴｎが印加されることによってゲート下のポ
テンシャルが深くなることにより、フォトダイオード
（ＰＤ）１１に蓄積された信号電荷をフローティングデ
ィフュージョン１３に転送する（ｔ３＜ｔ＜ｔ４）。こ
の信号電荷の転送により、フローティングディフュージ
ョン１３の電位がその電荷量に応じて変化する。
【００２６】時刻ｔ４になり、転送パルスφＴｎが消滅
すると、フローティングディフュージョン１３の信号電
荷に応じた電位が、増幅トランジスタ１５によって垂直
信号線２３に読み出され、かつ垂直信号線出力回路２７
に出力される（ｔ４＜ｔ＜ｔ５）。この読み出された信
号レベルは、垂直信号線出力回路２７内に保持（サンプ
ルホールド）される。
【００２７】水平有効期間に入ると、各列ごとに垂直信
号線出力回路２７に画素１０から読み出された信号は、
水平走査回路２８による水平走査によって順次水平信号
線２９を介して水平信号線出力回路３０に出力される。
このとき、これら出力回路２７，３０においては、単位
画素１０の信号レベルからノイズレベルを減算すること
により、単位画素１０の特性のばらつきに起因する固定
パターンノイズを抑圧する動作が行われるとともに、垂
直信号線出力回路２７の特性のばらつきに起因する固定
パターンノイズを抑圧する動作が行われる。
【００２８】そして、時刻ｔ６になると、垂直選択パル
スφＶｎが“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移し、こ
れによりｎライン目の画素が非選択状態となり、同時に
次のｎ＋１ライン目の画素が選択状態となり、このｎ＋
１ライン目について上述した動作が繰り返される。
【００２９】ここで、非選択ラインの画素について説明
する。垂直選択パルスφＶを“Ｌ”レベル（０Ｖ）とす
ることにより、画素１０を非選択状態にできる。なぜな
ら、リセットスイッチ１４としてデプレッション型トラ
ンジスタを用いているため、垂直選択パルスφＶが０Ｖ
の場合、フローティングディフュージョン１３は常に０
Ｖになっており、そのため増幅トランジスタ１５は常に
カットオフ状態となるからである。
【００３０】上述したように、単位画素１０をフォトダ
イオード１１、転送スイッチ１２、フローティングディ
フュージョン１３、リセットスイッチ１４および増幅ト
ランジスタ１５で構成し、リセットスイッチ１４を通し
てフローティングディフュージョン１３の電位をコント
ロールするようにしたことにより、従来の画素構造のよ
うに、垂直選択スイッチを設けなくても垂直選択の機能
を持たせることができるため、トランジスタを１個削減
することができる。
【００３１】なお、チャージポンプ回路を内蔵するなど
して、垂直選択パルスφＶを“Ｌ”レベルで駆動した場
合、ｔ３＜ｔ＜ｔ４の期間以外の長い期間、転送スイッ
チ１２のゲートを負電位にすることができる。このよう
にした場合、フォトダイオード１１に隣接している転送
スイッチのシリコン界面に長い期間正孔を注入すること
ができるため、暗電流を抑圧することができる。これ
は、特にフォトダイオード１１として埋め込み型センサ
構造を採用した場合に効果が大きい。
【００３２】また、上述した動作説明では、簡単化のた
め、全ラインの画素の信号を独立に読み出す全画素独立
読み出し動作モードで説明を行ったが、これに限定され
るものではなく、第１フィールドでは奇数（偶数）ライ
ンの信号を読み出し、第２フィールドでは偶数（奇数）
ラインの信号を読み出すフレーム読み出し動作モード
や、隣り合う２ラインの信号を同時に読み出して電圧加
算するとともに、フィールドごとに加算する２ラインの
組合せを変えるフィールド読み出し動作モードでも勿論
可能である。
【００３３】ここで、単位画素１０の具体的な構成につ
いて説明する。フォトダイオード１１での信号電荷の蓄
積時には、図４（ａ）から明らかなように、フローティ
ングディフュージョン１３が０Ｖとなる。そのため、蓄
積時には転送スイッチ１２の表面ポテンシャルは０Ｖ以
下である必要がある。しかしながら、このままでは、フ
ォトダイオード１１でオーバーフローした電荷を掃き捨
てるためのパスが存在しないことになる。
【００３４】そこで、本発明に係る画素構造では、例え
ば電源に接続された拡散層、例えば増幅トランジスタ１
５のドレインなどをフォトダイオード１１に隣接してレ
イアウトし、両者間の素子分離を不完全とすることによ
ってオーバーフローパスを形成し、当該パスを経由して
フォトダイオード１１で過剰電荷を掃き捨てる（オーバ
ーフローさせる）構成を採るようにする。これにより、
単位画素１０の面積を増加させることなく、オーバーフ
ローパスを形成することができる。
【００３５】その具体的な構成例として、以下に説明す
るような種々の構造が考えられる。すなわち、図６にお
いて、素子分離領域の幅（距離）を縮めることによって
オーバーフローパスを形成する構造（ａ）、チャネルス
トップのＰ領域の濃度を下げることによってオーバーフ
ローパスを形成する構造（ｂ）、チャネルストップのＰ
領域の下にＮ- 領域を積極的に形成してこれをオーバー
フローパスとする構造（ｃ）などである。
【００３６】また、フォトダイオード１１として埋め込
み型センサ構造を用いた場合において、オーバーフロー
パスの横方向の距離を制御良く形成するために、センサ
用Ｎ + （ＳＮ用Ｎ+ ）領域を画素電源側にも形成し、す
かしを入れてソース／ドレイン用Ｎ+ 領域を形成する構
造（ｄ）、さらに（ｄ）の構造において、オーバーフロ
ーパス用にＮ- 領域を形成する構造（ｅ）などがある。
【００３７】（ａ）〜（ｃ）の各構造では、ＬＯＣＯＳ
(Local Oxidation of Silicon)酸化膜を図示してある
が、これは必ずしも必要ではない。ただし、この場合、
オーバーフローパスの横方向の距離を制御良く形成する
ために、（ｄ）の構造の例のように、フォトダイオード
１１側のＮ+ とオーバーフローパルスに隣接する画素電
源側のＮ+ は、同一マスクでイオン注入することが好ま
しい。
【００３８】また、（ａ），（ｃ）〜（ｅ）の各構造の
ように、オーバーフローパスをバーチャルゲートで形成
することにより、オーバーフロー部のシリコン界面が空
乏化しない。したがって、従来例のような、シリコン界
面が空乏化する転送ゲートを利用したオーバーフロー構
造に比べて、暗電流の発生が少なくなる。特に、フォト
ダイオード１１として埋め込み型センサ構造を用いた場
合、シリコン界面が空乏化する部分を完全に無くすこと
ができるため、その効果は大である。
【００３９】図７は、本発明の第１実施形態の変形例を
示す概略構成図である。第１実施形態では、画素からの
信号を電圧モードで出力する構成を採っているのに対
し、本変形例では、画素からの信号を電流モードで出力
する構成を採っている。したがって、単位画素の画素構
造は、第１実施形態の場合と全く同じであり、信号の出
力系の構成のみが異なっている。
【００４０】本変形例に係るＣＭＯＳイメージセンサで
は、垂直信号線２３の端部と水平信号線２９の間に水平
選択スイッチ３１を接続するとともに、水平信号線２９
の端部には抵抗３２で帰還したオペアンプ３３を配置し
た構成となっている。すなわち、画素からの信号を電流
モードで出力させるために、垂直信号線２３および水平
信号線２９を抵抗３２で帰還したオペアンプ３３で一定
電位（Ｖｂｉａｓ）に固定し、かつ例えば電源回路３４
を内蔵し、画素に与える電源電圧を下げることによって
単位画素１０ｎ，ｍ内の増幅トランジスタ１５を線形動
作させるようにしている。
【００４１】なお、本変形例では、電源回路３４を内蔵
し、画素に与える電源電圧を下げる構成を採ったが、こ
れに限定されるものではなく、例えば単位画素１０ｎ，
ｍ内の増幅トランジスタ１５のしきい値電圧Ｖｔｈを下
げることによっても、当該増幅トランジスタ１５を線形
動作させることが可能である。
【００４２】図８に、本変形例に係る単位画素１０およ
び垂直信号線２３のポテンシャル分布を示す。同図にお
いて、ＰＤはフォトダイオード１１を、ＴＳは転送スイ
ッチ１２を、ＦＤはフローティングディフュージョン１
３を、ＲＳはリセットスイッチ１４を、ＡＴは増幅トラ
ンジスタ１５をそれぞれ表している。そして、フローテ
ィングディフュージョン１３および増幅トランジスタ１
５のポテンシャルについては、選択時のポテンシャル動
作範囲を実線で、非選択時も含めたポテンシャル動作範
囲を破線でそれぞれ示している。
【００４３】図９は、本変形例に係るＣＭＯＳイメージ
センサの動作を説明するためのタイミングチャートであ
る。単位画素１０ｎ，ｍの動作の本質的な部分は、第１
実施形態の場合と同じであり、ここでは重複するのでそ
の説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４４】画素からの信号の読み出し動作は水平有効
期間中に行う。また、ノイズレベルの読み出しは行わ
ず、信号レベルの読み出しのみ行う。電流モードでは、
電圧モードのように、信号出力系においてサンプルホー
ルド動作を行うことができないため、信号レベルの画素
の特性に起因する固定パターンノイズについては、外部
の信号処理系においてフレームメモリを用いてその抑圧
を行うようにすることになる。
【００４５】なお、図９のタイミングチャートは、全ラ
インの画素の信号を独立に読み出す全画素独立読み出し
動作モードの場合を示しているが、これに限定されるも
のではなく、第１フィールドでは奇数（偶数）ラインの
信号を読み出し、第２フィールドでは偶数（奇数）ライ
ンの信号を読み出すフレーム読み出し動作モードや、隣
り合う２ラインの信号を同時に読み出して電流加算を行
うとともに、フィールドごとに加算する２ラインの組合
せを変えるフィールド読み出し動作モードの場合も勿論
可能である。
【００４６】図１０は、本発明の第２実施形態に係るＣ
ＭＯＳイメージセンサを示す概略構成図である。図１０
において、単位画素４０が２次元配置されて画素部を構
成しており、ここでは簡略化のために、ｎ行ｍ列の単位
画素４０ｎ，ｍおよびｎ＋１行ｍ列の単位画素４０ｎ＋
１，ｍの２画素のみを示す。単位画素４０の画素構造は
全ての画素について同じであり、以下、ｎ行ｍ列の単位
画素４０ｎ，ｍの画素構造を例にとって説明するものと
する。
【００４７】単位画素４０ｎ，ｍは、光電変換素子であ
るフォトダイオード４１、転送スイッチ４２、電荷蓄積
部であるフローティングディフュージョン（ＦＤ）４
３、リセットスイッチ４４、増幅トランジスタ４５およ
び転送選択スイッチ４６を有する構成となっている。な
お、光電変換素子としては、フォトダイオード４１に代
えてフォトゲートなどを用いることも可能である。
【００４８】また、本例では、転送スイッチ４２として
Ｎｃｈエンハンスメント型トランジスタが、リセットス
イッチ４４としてＮｃｈデプレッション型トランジスタ
が、増幅トランジスタ４５としてＮｃｈエンハンスメン
ト型トランジスタが、転送選択スイッチ４５としてＮｃ
ｈエンハンスメント型トランジスタがそれぞれ用いられ
る。ただし、これらトランジスタの全てもしくは一部を
Ｐｃｈトランジスタで置き換えた回路構成とすることも
可能である。
【００４９】この単位画素４０ｎ，ｍにおいて、フォト
ダイオード４１は、例えば埋め込みセンサ構造のＰＮ接
合ダイオードであり、入射光をその光量に応じた電荷量
の信号電荷に光電変換し、これを蓄積する。転送スイッ
チ４２は、フォトダイオード４１とフローティングディ
フュージョン４３の間に接続され、フォトダイオード４
１に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージ
ョン４３へ転送する。フローティングディフュージョン
４３は、転送された信号電荷を信号電圧に変換し、増幅
トランジスタ４５のゲートに与える。
【００５０】リセットスイッチ４４は、フローティング
ディフュージョン４３と垂直選択線５１の間に接続さ
れ、フローティングディフュージョン４３の電位を画素
電源の電位にリセットする機能を持つ。増幅トランジス
タ４５は、電源ライン５２と垂直信号線５３の間に接続
され、フローティングディフュージョン４３の電位を増
幅して垂直信号線５３に出力する。
【００５１】電源ライン５２には、電源回路５４から例
えば３．３Ｖの電圧が与えられる。ただし、電源電圧は
３．３Ｖに限定されるものではない。転送選択スイッチ
４６は、転送線５５と転送スイッチ４２のゲートの間に
接続され、転送スイッチ４２の転送制御を行う。
【００５２】図１１に、第２実施形態に係る単位画素４
０および垂直信号線５３のポテンシャル分布を示す。同
図において、ＰＤはフォトダイオード４１を、ＴＳは転
送スイッチ４２を、ＦＤはフローティングディフュージ
ョン４３を、ＲＳはリセットスイッチ４４を、ＡＴは増
幅トランジスタ４５を、ＳＳは転送選択スイッチ４６を
それぞれ表している。フローティングディフュージョン
４３および増幅トランジスタ４５のポテンシャルについ
ては、選択時のポテンシャル動作範囲を実線で、非選択
時も含めたポテンシャル動作範囲を破線でそれぞれ示し
ている。
【００５３】図１１から明らかなように、本例では、フ
ォトダイオード４１として埋め込みセンサ構造のフォト
ダイオードが用いられている。すなわち、ＰＮ接合ダイ
オードの基板表面側に、Ｐ+ の正孔蓄積層４７を有する
センサ構造となっている。また、単位画素４０のオーバ
ーフローパスに関しては、第１実施形態の場合と同様
に、図６（ａ）〜（ｅ）の画素構造が採られているもの
とする。
【００５４】垂直走査回路５６は、単位画素４０を行単
位で選択するために設けられたものであり、例えばシフ
トレジスタによって構成されている。この垂直走査回路
５６からは、垂直選択パルスφＶ（…，φＶｎ，φＶｎ
＋１，…）が出力される。そして、垂直選択パルスφＶ
（…，φＶｎ，φＶｎ＋１，…）は垂直選択線５１を介
してリセットスイッチ１４のドレインに印加される。
【００５５】水平走査回路５７は、単位画素４０を列単
位で選択するために設けられたものであり、例えばシフ
トレジスタによって構成されている。この水平走査回路
５７からは、リセットパルスφＲ（…，φＲｍ，…）、
転送パルスφＴ（…，φＴｍ，…）および水平選択パル
スφＨ（…，φＨｍ，…）がそれぞれ出力される。そし
て、転送パルスφＴ（…，φＴｍ，…）は転送線５５を
介して転送選択スイッチ４６のドレインに、リセットパ
ルスφＲ（…，φＲｍ，…）はリセット線５８を介して
リセットスイッチ４４のゲートにそれぞれ印加される。
【００５６】垂直信号線５３の端部と水平信号線５９の
間には、水平選択スイッチ６０が接続されている。水平
選択トランジスタ６０としては、例えばＮｃｈトランジ
スタが用いられる。この水平選択トランジスタ６０のゲ
ートには、水平走査回路５７から出力される水平選択パ
ルスφＨ（…，φＨｍ，…）が与えられる。水平信号線
５９の端部には、抵抗６１で帰還したオペアンプ６２が
配置されている。
【００５７】上記構成の第２実施形態に係るＣＭＯＳイ
メージセンサでは、画素からの信号を電流モードで出力
する形態を採っている。すなわち、垂直信号線５３およ
び水平信号線５９を抵抗６１で帰還したオペアンプ６２
で一定電位（Ｖｂｉａｓ）に固定し、かつ電源回路５４
を内蔵し、画素に与える電源電圧を下げることによって
単位画素４０ｎ，ｍ内の増幅トランジスタ４５を線形動
作させるようにしている。
【００５８】なお、本実施形態では、電源回路５４を内
蔵し、画素に与える電源電圧を下げることによって増幅
トランジスタ４５を線形動作させる構成としたが、これ
に限られるものではなく、第１実施形態の変形例の場合
と同様に、例えば単位画素４０ｎ，ｍ内の増幅トランジ
スタ４５のしきい値電圧Ｖｔｈを下げることによって
も、当該増幅トランジスタ４５を線形動作させることが
可能である。
【００５９】次に、上記構成の第２実施形態に係るＣＭ
ＯＳイメージセンサにおける画素動作について、ｎライ
ンの画素の選択時を例にとって図１２のタイミングチャ
ートを用いて図１３および図１４のポテンシャル図を参
照しつつ説明する。
【００６０】時刻ｔ１までの期間（ｔ＜ｔ１）は非選択
状態である。この非選択状態においては、垂直選択パル
スφＶｎは“Ｌ”レベル（０Ｖ）にあり、またリセット
スイッチ（ＲＳ）４４がオフ状態にあるため、フローテ
ィングディフュージョン（ＦＤ）４３の電位は０Ｖとな
る。
【００６１】時刻ｔ１になると、垂直選択パルスφＶｎ
が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベル（３．３Ｖ）に遷移す
る。すると、リセットトランジスタ４４としてデプレッ
ション型トランジスタを用いているため、増幅トランジ
スタ（ＡＴ）４５のゲート電位が上昇する（ｔ１＜ｔ＜
ｔ２）。
【００６２】このとき、増幅トランジスタ４５のポテン
シャルの設定や、垂直信号線５３の電位により、増幅ト
ランジスタ４５がオンする場合もある。本例では、カッ
トオフしているものとする。ただし、この時点では、水
平選択スイッチ６０がオフしており、水平信号線５９に
何ら影響を与えることはないため、増幅トランジスタ４
５の状態はどうであっても構わない。
【００６３】時刻ｔ２になり、リセットパルスφＲｍが
発生すると、これに応答してリセットスイッチ４４がオ
ン状態となって、０Ｖであったｎライン目のｍ列のフロ
ーティングディフュージョン４３の電位を３．３Ｖにリ
セットする。この結果、増幅トランジスタ（ＡＴ）１５
がターンオンするため、ｎライン目のｍ列の単位画素４
０ｎ，ｍが選択状態となる（ｔ２＜ｔ＜ｔ３）。
【００６４】時刻ｔ３になり、リセットパルスφＲｍが
消滅すると、このリセットされた状態のフローティング
ディフュージョン４３の読み出しが行われる。これによ
り、画素ごとに異なっているオフセットレベル（以下、
これをノイズレベルと呼ぶ）が、垂直信号線５３へ読み
出される（ｔ３＜ｔ＜ｔ４）。この読み出されたノイズ
レベルは、時刻ｔ２で発生した水平選択パルスφＨｍに
応答してオン状態にある水平選択スイッチ６０によって
水平信号線５９へ出力される。
【００６５】時刻ｔ４になり、転送パルスφＴｍが発生
すると、転送スイッチ（ＴＳ）４２は、そのゲートに転
送パルスφＴｍが印加されることによってゲート下のポ
テンシャルが深くなることにより、フォトダイオード
（ＰＤ）４１に蓄積された信号電荷をフローティングデ
ィフュージョン４３に転送する（ｔ４＜ｔ＜ｔ５）。こ
の信号電荷の転送により、フローティングディフュージ
ョン４３の電位がその電荷量に応じて変化する。
【００６６】時刻ｔ５になり、転送パルスφＴｍが消滅
すると、フローティングディフュージョン４３の信号電
荷に応じた電位が、増幅トランジスタ４５によって垂直
信号線５３へ読み出される（ｔ５＜ｔ＜ｔ６）。この読
み出された信号レベルは、水平選択スイッチ６０によっ
て水平信号線５９へ出力される。
【００６７】そして、時刻ｔ７になると、垂直選択パル
スφＶｎが“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移し、こ
れによりｎライン目の画素が非選択状態となり、同時に
次のｎ＋１ライン目の画素が選択状態となり、このｎ＋
１ライン目について上述した動作が繰り返される。
【００６８】上述したように、１つの画素に対して、ノ
イズレベル出力→信号レベル出力という順序で（信号レ
ベル出力→ノイズレベル出力の順序であっても良い）、
ノイズレベル、信号レベルを順次得る動作のことを画素
点順次リセット動作というものとする。
【００６９】この画素点順次リセット動作には、次のよ
うな利点がある。 ノイズ出力と信号出力が水平選択スイッチ６０を含む
同一経路をとるため、原理的に、経路間のばらつきに起
因する固定パターンノイズが発生しない。 ノイズレベル、信号レベルが順次出力されるため、外
部の信号処理系において、フレームメモリやラインメモ
リを用いることなく、相関二重サンプリング回路（ＣＤ
Ｓ回路）などの差分回路により、ノイズレベルと信号レ
ベルの差分をとることが可能となり、システムが簡略化
できる。
【００７０】上述した一連の画素点順次リセット動作を
行うためには、高速動作が要求される。そのため、動作
速度的に有利な電流モードで画素からの信号を出力させ
る。ただし、電流モード出力の形態に限られるものでは
なく、速度的要求を満足するならば、第１実施形態に係
るＣＭＯＳイメージセンサのような電圧モード出力の形
態を採ることも可能である。
【００７１】非選択画素の動作についても、図１５およ
び図１６のポテンシャル図から明らかなように、列方向
に転送パルスφＴｍおよびリセットパルスφＲｍを共有
していても、特に問題はないことがわかる。
【００７２】上述した動作説明では、簡単化のため、全
ラインの画素の信号を独立に読み出す全画素独立読み出
し動作モードで説明を行ったが、これに限定されるもの
ではなく、第１フィールドでは奇数（偶数）ラインの信
号を読み出し、第２フィールドでは偶数（奇数）ライン
の信号を読み出すフレーム読み出し動作モードや、隣り
合う２ラインの信号を同時に読み出して電流加算を行う
とともに、フィールドごとに加算する２ラインの組合せ
を変えるフィールド読み出し動作モードでも勿論可能で
ある。
【００７３】なお、上記第２実施形態に係るＣＭＯＳイ
メージセンサにおいて、隣接したφＴｍ−１とリセット
パルスφＲｍを兼用することも可能である。これによ
り、配線の削減が可能となる。
【００７４】また、転送選択スイッチ４６のゲートと転
送スイッチ４２のゲートにつながるノードに積極的に容
量をもたせることにより、ｔ７＜ｔにおいて、垂直選択
パルスφＶｎが“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移し
たとき、転送スイッチ４２のゲート電位を負電位とする
ことができる。これにより、フォトダイオード４１に隣
接している転送スイッチ４２のシリコン界面に長い期間
正孔を注入することができるため、暗電流を抑圧するこ
とができる。
【００７５】さらに、垂直信号線５３の電位（Ｖｂｉａ
ｓ）、増幅トランジスタ４５のポテンシャルおよび電源
電圧全体をシフト（本例の場合、例えば１．５Ｖシフ
ト）させることにより、電源回路５４を削減することが
できる。
【００７６】第２実施形態の変形例としては、増幅トラ
ンジスタ４５のソースフォロアの抵抗負荷としての役割
を水平選択スイッチ６０に移して電流出力を行う構成を
採ることも可能である。すなわち、次のようにして電流
出力動作を行う。
【００７７】先ず、水平選択スイッチ６０は、線形領域
で動作するようにしてあるものとする。また、抵抗で帰
還したオペアンプを使用するなどして、水平信号線５９
の電位を一定電位にあるようにする。すると、増幅トラ
ンジスタ４５と水平選択スイッチ６０で抵抗を負荷とし
たソースフォロアを形成し、水平信号線５９にはフロー
ティングディフュージョン４３の電位に応じた電流が流
れ、オペアンプの出力端にはフローティングディフュー
ジョン４３の電位に応じた電圧が現れる。
【００７８】図１７は、本発明が適用されるカメラシス
テムの一例を示す概略構成図である。図１７において、
被写体（図示せず）からの入射光（像光）は、レンズ７
１等を含む光学系によって撮像素子７２の撮像面上に結
像される。撮像素子７２としては、先述した第１実施形
態若しくはその変形例、又は第２実施形態に係るＣＭＯ
Ｓイメージセンサが用いられる。
【００７９】撮像素子７２は、タイミングジェネレータ
等を含む駆動回路７３から出力される各種のタイミング
に基づいてその駆動が行われる。撮像素子７２から出力
される撮像信号は、信号処理回路７４において種々の信
号処理が施された後、映像信号として出力される。
【００８０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
行列状に配置された単位画素を、光電変換素子、転送ス
イッチ、電荷蓄積部、リセットスイッチおよび増幅素子
によって構成し、リセットスイッチに与えるリセット電
位をコントロールすることによって行単位で画素の選択
を行うようにしたことにより、垂直選択のための素子を
削減できるため、画素サイズを縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略構成図であ
る。
【図２】第１実施形態に係る単位画素および垂直信号線
のポテンシャル図である。
【図３】第１実施形態に係る画素選択時のタイミングチ
ャートである。
【図４】第１実施形態に係る選択ラインの画素のポテン
シャル図（その１）である。
【図５】第１実施形態に係る選択ラインの画素のポテン
シャル図（その２）である。
【図６】オーバーフローパスの具体的な構成例を示す断
面構造図である。
【図７】本発明の第１実施形態の変形例を示す概略構成
図である。
【図８】第１実施形態の変形例に係る単位画素および垂
直信号線のポテンシャル図である。
【図９】第１実施形態の変形例に係る画素選択時のタイ
ミングチャートである。
【図１０】本発明の第２実施形態を示す概略構成図であ
る。
【図１１】第２実施形態に係る単位画素および垂直信号
線のポテンシャル図である。
【図１２】第２実施形態に係る画素選択時のタイミング
チャートである。
【図１３】第２実施形態に係る選択ラインの画素のポテ
ンシャル図（その１）である。
【図１４】第２実施形態に係る選択ラインの画素のポテ
ンシャル図（その２）である。
【図１５】第２実施形態に係る非選択ラインの画素のポ
テンシャル図（その１）である。
【図１６】第２実施形態に係る非選択ラインの画素のポ
テンシャル図（その２）である。
【図１７】本発明が適用されるカメラシステムの一例を
示す概略構成図である。
【図１８】従来例に係る単位画素の構成を示す回路図で
ある。
【符号の説明】
１０，４０…単位画素、１１，４１…フォトダイオー
ド、１２，４２…転送スイッチ、１３，４３…フローテ
ィングディフュージョン、１４，４４…リセットスイッ
チ、１５，４５…増幅トランジスタ、２１，５１…垂直
選択線、２３，５３…垂直信号線、２４，５６…垂直走
査回路、２７…垂直信号線出力回路、２８，５７…水平
走査回路、２９，５９…水平信号線、３０…水平信号線
出力回路、３１，６０…水平選択スイッチ、３３，６２
…オペアンプ、３４，５４…電源回路、４６…転送選択
スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩野 浩一 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄
    積された電荷を転送する転送スイッチと、前記転送スイ
    ッチによって転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    前記電荷蓄積部をリセットするリセットスイッチと、前
    記電荷蓄積部の電位に応じた信号を垂直信号線に出力す
    る増幅素子とを具備し、行列状に配置された単位画素
    と、 前記リセットスイッチに与えるリセット電位をコントロ
    ールすることによって行単位で画素の選択を行う垂直走
    査回路と、 前記垂直信号線に出力された信号を列単位で順次選択す
    る水平走査回路と、 前記水平走査回路によって選択された信号を水平信号線
    を経由して出力する出力回路とを備えたことを特徴とす
    る固体撮像素子。
  2. 【請求項２】 前記垂直走査回路は、垂直走査時に順次
    出力する垂直選択パルスを前記リセットスイッチに対し
    てそのリセット電位として与えることを特徴とする請求
    項１記載の固体撮像素子。
  3. 【請求項３】 前記電荷蓄積部は、フローティングディ
    フュージョンであることを特徴とする請求項１記載の固
    体撮像素子。
  4. 【請求項４】 前記リセットスイッチは、デプレッショ
    ン型トランジスタからなることを特徴とする請求項１記
    載の固体撮像素子。
  5. 【請求項５】 前記出力回路は、前記垂直信号線に読み
    出された信号を電圧モードで出力することを特徴とする
    請求項１記載の固体撮像素子。
  6. 【請求項６】 前記出力回路は、前記垂直信号線に読み
    出された信号を電流モードで出力することを特徴とする
    請求項１記載の固体撮像素子。
  7. 【請求項７】 前記単位画素は、前記光電変換素子と画
    素電源電圧が与えられる領域の間に、前記光電変換素子
    の過剰電荷を排出するオーバーフローパスを形成してな
    ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
  8. 【請求項８】 前記転送スイッチの制御電極に負電位を
    印加することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素
    子。
  9. 【請求項９】 前記単位画素は、前記転送スイッチの転
    送動作を選択する転送選択スイッチを有することを特徴
    とする請求項１記載の固体撮像素子。
  10. 【請求項１０】 前記転送選択スイッチは、前記垂直選
    択パルスを制御入力とすることを特徴とする請求項９記
    載の固体撮像素子。
  11. 【請求項１１】 前記出力回路は、前記垂直信号線に読
    み出された信号を電流モードで出力することを特徴とす
    る請求項９記載の固体撮像素子。
  12. 【請求項１２】 行列状に配置された単位画素が、光電
    変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送
    する転送スイッチと、前記転送スイッチによって転送さ
    れた電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部をリ
    セットするリセットスイッチと、前記電荷蓄積部の電位
    に応じた信号を垂直信号線に出力する増幅素子とを具備
    してなる固体撮像素子において、 前記リセットスイッチに与えるリセット電位をコントロ
    ールすることによって行単位で画素の選択を行うことを
    特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
  13. 【請求項１３】 前記垂直信号線に読み出された信号を
    電圧モードで出力することを特徴とする請求項１２記載
    の固体撮像素子の駆動方法。
  14. 【請求項１４】 前記垂直信号線に読み出された信号を
    電流モードで出力することを特徴とする請求項１２記載
    の固体撮像素子の駆動方法。
  15. 【請求項１５】 光電変換素子と、前記光電変換素子に
    蓄積された電荷を転送する転送スイッチと、前記転送ス
    イッチによって転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部
    と、前記電荷蓄積部をリセットするリセットスイッチ
    と、前記電荷蓄積部の電位に応じた信号を垂直信号線に
    出力する増幅素子とを具備し、行列状に配置された単位
    画素と、 前記リセットスイッチに与えるリセット電位をコントロ
    ールすることによって行単位で画素の選択を行う垂直走
    査回路と、 前記垂直信号線に出力された信号を列単位で順次選択す
    る水平走査回路と、 前記水平走査回路によって選択された信号を水平信号線
    を経由して出力する出力回路とを備えた固体撮像素子を
    撮像デバイスとして用いたことを特徴とするカメラシス
    テム。
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