KR100665908B1 - 증폭형 고체 촬상 장치 - Google Patents

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KR100665908B1
KR100665908B1 KR1020050080038A KR20050080038A KR100665908B1 KR 100665908 B1 KR100665908 B1 KR 100665908B1 KR 1020050080038 A KR1020050080038 A KR 1020050080038A KR 20050080038 A KR20050080038 A KR 20050080038A KR 100665908 B1 KR100665908 B1 KR 100665908B1
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타카시 와타나베
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샤프 가부시키가이샤
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    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/65—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to reset noise, e.g. KTC noise related to CMOS structures by techniques other than CDS
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    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors

Abstract

이 증폭형 고체 촬상 장치는 화소부(10)와 제어부(20)를 구비한다. 제어부(20)는 포토다이오드(1)에 신호 전하를 축적하는 제어를 행하게 되고, 그 후 제 1 커패시턴스 소자(7) 및 제 2 커패시턴스 소자(9)에 반전 증폭기의 입력을 리셋한 리셋 신호를 기록하는 제어를 행하도록 되어 있다. 제어부(20)는 포토다이오드(1)에 축적된 신호를 제 1 커패시턴스 소자(7)에만 기록하는 제어를 행한 후, 제 1 커패시턴스 소자(7)에 기록된 포토다이오드(1)에 축적된 신호를 신호선(11)에 출력하는 제어, 및 제 2 커패시턴스 소자(9)에 기록된 리셋 신호를 신호선(11)에 출력하는 제어를 행하도록 되어 있다.
촬상 장치, 광변환 소자, 신호 전하, 화소부

Description

증폭형 고체 촬상 장치{AMPLIFICATION-TYPE SOLID STATE IMAGE PICKUP DEVICE}
도 1은 본 발명의 일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치의 일부를 도시한 회로도이다.
도 2는 도 1에 구성을 도시한 증폭형 고체 촬상 장치의 일실시형태의 타이밍 차트이다.
도 3은 도 1에 구성을 도시한 증폭형 고체 촬상 장치의 다른 실시형태의 타이밍 차트이다.
도 4는 본 발명의 도 1과 다른 구성의 증폭형 고체 촬상 장치를 도시한 도면이다.
도 5A는 1개의 화소당 커패시터가 1개인 증폭형 고체 촬상 장치의 부분 회로도이다.
도 5B는 1개의 화소당 커패시터가 1개인 증폭형 고체 촬상 장치의 부분 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치의 일부 단면도이다.
도 7은 종래기술의 증폭형 고체 촬상 장치의 동작을 도시한 도면이다.
도 8은 종래기술의 4트랜지스터형 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 상기 4트랜지스터형 구조에 있어서의 동작 타이밍을 도시한 도면이다.
도 10은 종래기술의 증폭형 고체 촬상 장치의 층구성을 도시한 부분 단면도이다.
본 발명은 화소부에 증폭 회로를 갖는 증폭형 고체 촬상 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 광전 변환 소자와 이 광전 변환 소자의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 갖는 화소를 복수 구비하고, 상기 각 화소로부터의 신호를 각각 증폭해서 신호선상에서 판독하는 증폭형 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
일반적으로 증폭형 고체 촬상 장치로서는 증폭 기능을 가진 화소부와 그 화소부의 주변에 배치된 주사 회로를 갖고, 그 주사 회로에 의해 화소부로부터 화소 데이터를 판독하는 것이 보급되어 있다.
그러한 증폭형 고체 촬상 장치의 일예로서는, 화소부가 주변의 구동 회로 및 신호 처리 회로와 일체화하기에 유리한 CM0S(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)에 의해 구성된 APS(Active Pixel Sensor)형 이미지 센서가 알려져 있다.
상기 APS형 이미지 센서에서는 2차원 배열된 다수의 화소로부터의 신호 판독 은 행 단위로 순차적으로 판독하는 것이 일반적이다.
상기 APS형 이미지 센서는 노광 시간이 짧은 셔터 동작시에 각 행에서의 노광 기간이 행마다 다른 것에 기인하고, 움직임이 있는 피사체의 경우 상의 비틀림이 발생한다고 하는 문제가 있다. 이것을 이하의 도 7을 이용해서 설명한다.
도 7은 종래기술의 증폭형 고체 촬상 장치의 동작을 도시한 도면이다.
도 7에 있어서, 직선형상의 입력상(A)이 반 시계방향으로 회전운동할 경우, 시각(t1, t2, t3, t4, t5)에 있어서의 위치를 도면과 같이 각 파선으로 도시한다. 한편, APS형 이미지 센서에서의 화상 판독은 수직 주사 방향을 따르고 시각(t1, t2, t3, t4, t5)에 있어서 도시한 바와 같은 위치로 변화된다. 이것 때문에, 판독되는 화상은 각 판독 주사 시각에서의 화상 위치를 트레이스하는 위치가 되고, 출력상은 (B)에서 실선으로 도시한 바와 같이 비틀린 화상이 된다.
도 8은 상기 문제를 회피할 수 있는 4트랜지스터형 구조(예를 들면, 일본 특허 공개 제 2002-320141호 공보)을 도시한 도면이며, 도 9는 이 4트랜지스터형 구조에 있어서의 여러가지 신호의 동작 타이밍을 도시한 도면이다.
또한, 도 8에 있어서, CS는 커패시턴스이며, VR는 리셋 드레인 전원이며, VD는 출력 드레인 전원이다. 또한, 도 8에 있어서, φTX는 전송부(M1)의 구동 펄스이며, φRS는 리셋부(M2)의 구동 펄스이며, φSL은 화소 선택부(M4)의 구동 펄스이다. 또한, Vout은 수직 신호선으로부터 출력되는 출력 신호이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 종래기술의 4트랜지스터형 구조는 광전 변환부로 서 포토다이오드(PD)를 갖고 있다. 또한, 종래기술의 4트랜지스터형 구조에서는 포토다이오드(PD)에 축적된 신호 전하를 전송하기 위한 전송부(M1), 증폭부(M3), 리셋부(M2) 및 화소 선택부(M4)가 트랜지스터로 구성되어 있다.
도 8에 도시한 종래기술의 4트랜지스터형 구조에서는 도 9에 도시된 바와 같이 우선, 기간(TR)에서 리셋부 구동 펄스(φRS)를 온(하이 레벨)으로 함으로써, 전하 검출부(FD)의 전위를 VR로 고정한 채 전송부 구동 펄스(φTX)를 온(하이 레벨)으로 하여, 포토다이오드(PD)에서 전하 검출부(FD)로 신호 전하를 배출하고 포토다이오드의 리셋 동작을 행한다.
그 다음, 기간(TINT)의 사이에 노광을 행한다. 즉, 전송부 구동 펄스(φTX)를 오프(로우 레벨)로 할 때부터 다음 φTX를 온으로 할 때까지의 기간(TINT)의 사이에 광전 변환된 신호 전하를 포토다이오드(PD)에 축적한다. 상기 기간(TINT)은 노광 기간이 된다. 또한, 상기 기간(TINT)의 최후에 펄스(φRS)를 온에서 오프로 함으로써, 전하 검출부(FD)의 전위를 부동 상태로 해서 FD부의 리셋 동작을 행하도록 되어 있다.
그 다음, 기간(TW)에 있어서, 전송부 구동 펄스(φTX)를 온으로 하여, 노광 기간(TINT)의 사이에 포토다이오드에 축적된 신호 전하를 FD부로 전송하여, 포토다이오드의 신호 전하를 FD부에 기록하도록 되어 있다.
또한, 기간(TR∼TINT∼TW)에서는, 모든 화소를 동시 타이밍으로 동작시키도록 되어 있어, 전 화소 공통으로 노광 축적 동작을 행하도록 되어 있다. 이렇게 하여, 예를 들면, 노광 기간(TINT)이 짧은 셔터 동작시에도, 화면 전체의 동시성을 확보하여, 움직임이 있는 피사체에도 비틀림없이 촬상할 수 있도록 되어 있다.
그 다음, 기간(TS)에서 FD부에 기록된 신호 전하를 행 단위로 순차적으로 판독하도록 되어 있다. 상세하게는, 우선 기간(T1)에 있어서, FD부에 기록된 신호 레벨을 판독한다. 이어서, 기간(T2)에서 펄스(φRS)를 온으로 하고, FD부를 리셋한다. 그 후, 기간(T3)에서 FD부의 리셋 레벨을 판독한다. 이후에, 잘 알려진 상관 이중 샘플링(CDS)동작에 의해 기간(T1)의 신호 레벨과 기간(T3)의 리셋 레벨의 차이를 후단에서 취함으로써, 증폭 트랜지스터(M3)의 역치 전압이 화소마다에 분산되는 것 등에 의한 고정 패턴 노이즈를 제거하도록 되어 있다.
그러나, 상기 4트랜지스터형 구조에는 이하의 과제가 존재한다.
즉, 기간(T1)의 신호 레벨에는 그 전의 기간(TW)에서 리셋되었을 때의 리셋 노이즈(Vn1)가 중첩되고, 기간(T3)의 리셋 레벨에는 직전의 기간(T2)에서 리셋되었을 때의 리셋 노이즈(Vn2)가 중첩된다. 또한, 리셋 노이즈는 리셋될 때에 랜덤으로 변동되고, Vn1과 Vn2간에는 상관이 없다. 이 때문에, 리셋 노이즈는 Vn1과 Vn2와의 차이 를 취하여도 사라지지 않고, 오히려 (Vn1 2+Vn2 2)1/2이 되어 증대되고 리셋 노이즈가 사라지지 않는다고 하는 문제가 있다. 그리고, 이 노이즈는 화상에 있어서 랜덤으로 변동되는 노이즈가 되고, 화상의 S/N을 현저하게 저해시킨다고 하는 문제가 있다.
더욱이, 다른 문제점으로서 이하의 점을 들 수 있다.
도 9에 있어서, 기간(TW)에 기록된 신호 전하는 기간(TS)를 통해서 FD부에 유지되어 있는 동안, 유지 신호가 변화되어서는 안되지만, 상기 4트랜지스터형 구조에서는 도 8에 도시된 바와 같이, FD부는 포토다이오드부(PD)에 전송 게이트(M1)를 통하여 인접하고 있으므로, FD부에서의 유지 기간(TS)의 사이에 신호가 열화(유지 신호가 열화)된다고 하는 문제가 있다.
도 10은 이 문제를 설명하는 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, P형 기판(101)상에 포토다이오드로서 N형 광전 변환 축적부(102) 및 표면 전위를 고정하는 피닝(pinning)층(103)이 형성되어 있다. 또한, 포토다이오드에 인접하여 전송 게이트(106) 및 전하 검출부(104)가 형성되어 있다. 전하 검출부(104)상에는 차광층(107)이 형성되어 있다.
이것으로부터 FD부에서의 유지 기간(TS)에 있어서, 경사진 입사광이 있으면 입사광의 일부가 전하 검출부(104)에 도달하고, 여기에서 광전 변환된 전하가 전하 검출부(104)에 유지된 신호를 오염시키는(유지 신호를 변화시키는) 문제가 있다. 더욱이, 광전 변환 축적부(102)의 하측까지 도달한 입사광이 거기에서 광전 변환되 어, 발생한 전하가 확산에 의해 전하 검출부(104)까지 도달하여, 이 전하가 전하 검출부(104)에서의 유지 기간(Ts)의 사이에 신호를 오염시키는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 과제는 움직임이 있는 피사체에도 비틀림없이 촬상할 수 있음과 아울러, 리셋 노이즈를 억제할 수 있어서 S/N이 좋은 화상을 얻을 수 있고, 더욱이, 유지 기간에서의 신호의 오염을 방지할 수 있는 증폭형 고체 촬상 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치는
광전 변환 소자와 이 광전 변환 소자로부터의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 갖는 화소;
직렬로 접속된 제 1 스위칭 소자와 제 1 커패시턴스 소자를 갖는 제 1 경로, 반전 증폭기, 및 리셋용 스위칭 소자를 병렬로 접속하여 이루어지는 스위치드 커패시터 증폭부; 및
상기 전송 트랜지스터를 오프로 하여, 상기 광전 변환 소자에 신호 전하를 축적하는 제어를 행한 후, 상기 리셋용 스위칭 소자에 의해 상기 반전 증폭기의 입력을 리셋하는 제 1 리셋 동작을 행하고, 그 후 상기 제 1 스위칭 소자를 온으로 함과 아울러, 상기 리셋용 스위칭 소자를 오프로 한 상태에서 상기 전송 트랜지스터를 소정 시간 동안 온으로 하여 상기 광전 변환 소자에 축적되어 있는 신호 전하를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 기록하는 제어를 행하고, 그 후, 상기 제 1 스위 칭 소자를 온으로 하여, 상기 제 1 커패시턴스 소자에 기록한 신호 전하를 상기 스위치드 커패시터 증폭부로부터 출력하는 제어를 행하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 의하면, 광전 변환 소자의 신호를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 기록한 후, 상기 제 1 커패시턴스 소자로부터의 신호를 판독하도록 되어 있으므로, 윈하는 타이밍에서 신호를 판독할 수 있음과 아울러, 유지 기간에 있어서의 신호의 오염을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 리셋 동작은 2종류가 있다. 제 1 리셋 동작은 반전 증폭기의 입력을 리셋하는 것으로, 이 직후에 반전 증폭기의 입력에 광전 변환 소자로부터의 신호 전하를 전송하고, 이들 리셋 후 신호와 신호 전하 전송 후 신호를 각각 판독하여, 후단에서 그 변화 분을 취함으로써, 순신호로 하여 검출하도록 한다. 한편, 광전 변환 소자를 초기 상태로 리셋하는 동작이 제 2 리셋 동작에서 제 1 리셋 동작과는 다른 동작이 된다.
또한, 일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는
상기 스위치드 커패시터 증폭부는 상기 제 1 경로에 병렬로 접속됨과 아울러, 직렬로 접속된 제 2 스위칭 소자 및 제 2 커패시턴스 소자를 갖는 제 2 경로를 구비하고,
상기 제어부는 상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자를 온으로 함으로써, 상기 제 1 커패시턴스 소자 및 상기 제 2 커패시턴스 소자에 상기 제 1 리셋 동작된 때의 리셋 신호를 기록하는 제어를 행한 후, 상기 제 1 스위칭 소자를 온으로 함과 아울러 상기 제 2 스위칭 소자를 오프로 하여, 상기 제 1 커패시턴스 소자만에 상기 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하를 기록하는 제어를 행하고, 그 후, 상기 제 1 스위칭 소자를 온으로 하여 상기 제 1 커패시턴스 소자에 기록된 신호 전하를 상기 스위치드 커패시터 증폭부로부터 출력하는 제어, 및 상기 제 2 스위칭 소자를 온으로 하여 상기 제 2 커패시턴스 소자에 기록된 리셋 신호를 상기 스위치드 커패시터 증폭부로부터 출력하는 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의하면, 광전 변환 소자의 리셋 신호를 제 1 커패시턴스 소자 및 제 2 커패시턴스 소자에 기록한 후, 상기 제 1 커패시턴스 소자만에 상기 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하를 기록하는 제어를 행하고, 그 후 상기 제 1 커패시턴스 소자에 기록된 신호 전하를 상기 스위치드 커패시터 증폭부로부터 출력하는 제어, 및 상기 제 2 커패시턴스 소자에 기록된 리셋 신호를 상기 스위치드 커패시터 증폭부로부터 출력하는 제어를 행하도록 되어 있다. 따라서, 이 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는 예를 들면, 후단에서 CDS동작에 의해 리셋 신호와 광전 변환 소자의 신호의 차이를 취함으로써, 리셋 노이즈를 제거할 수 있다. 따라서, 움직임이 있는 피사체에도 비틀림없이 촬영가능함과 아울러, 노이즈를 현저하게 저감할 수 있어서 화상을 노이즈가 없는 양질의 것으로 할 수 있다.
또한, 일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는 상기 화소가 복수 존재하고, 상기 제어부가 상기 복수의 화소가 갖는 모든 상기 광전 변환 소자의 신호를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 동시에 기록하는 제어를 행하도록 되어 있다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 제어부가 모든 상기 광전 변환 소자의 신호를 상기 커패시턴스 소자에 동시에 기록하는 제어를 행하도록 되어 있으므로, 신호를 기록하는 시간을 짧게 할 수 있다.
또한, 일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는 상기 제어부가 상기 모든 광전 변환 소자의 신호를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 동시에 기록하는 제어를 행하기 전에, 상기 광전 변환 소자의 신호를 리셋하는 제 2 리셋 동작을 모든 광전 변환 소자에 대하여 동시에 행하는 제어를 하도록 되어 있다.
상기 실시형태에 의하면, 모든 광전 변환 소자에 대하여 동시에 제 2 리셋 동작을 행하고 있으므로, 그 후 모든 광전 변환 소자의 신호를 동시에 기록하는 것을 가능하게 할 수 있다. 또한, 모든 광전 변환 소자의 화상 정보를 동일 타이밍에서 받아들임으로서, 움직임이 있는 피사체에도 전혀 비틀림없이 촬상하는 것이 가능하게 된다.
또한, 일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는 상기 화소가 복수 존재하고, 상기 제어부가 상기 복수의 화소가 갖는 모든 상기 광전 변환 소자의 신호를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 순차적으로 기록하는 제어를 행하도록 되어 있다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 제어부가 상기 모든 광전 변환 소자의 신호를 상기 커패시턴스 소자에 순차적으로 기록하는 제어를 행하도록 되어 있으므로, 구동 전류의 집중을 방지할 수 있어서 구성 부품의 파괴를 방지할 수 있다.
또한, 일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는 상기 제어부가 상기 모든 광전 변환 소자의 신호를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 순차적으로 기록하는 제어를 행하기 전에, 상기 광전 변환 소자의 신호를 리셋하는 제 2 리셋 동작을 모든 광전 변환 소자에 대하여 순차적으로 행하도록 되어 있다.
상기 실시형태에 의하면, 모든 광전 변환 소자에 대하여 순차적으로 제 2 리셋 동작을 행한 후, 모든 광전 변환 소자의 신호를 순차적으로 기록하도록 되어 있으므로, 제 2 리셋 동작이나 기록 동작을 고속으로 행함으로써, 판독 전류의 집중을 방지하면서 모든 광전 변환 소자의 화상 정보를 짧은 시간 내에 받아들일 수 있다.
일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는 상기 광전 변환 소자가 매립형 포토다이오드이다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 광전 변환 소자가 매립형 포토다이오드이므로, 상기 광전 변환 소자에서 발생하는 암전류에 의한 노이즈를 대폭 저감할 수 있다. 따라서, 후단의 CDS 동작에 의한 리셋 노이즈 저감의 상승 효과에 의해 화소부 전체의 노이즈를 현저하게 저감할 수 있다.
본 발명에 의하면, 광전 변환 소자의 신호를 제 1 커패시턴스 소자에 기록한 후, 상기 제 1 커패시턴스 소자로부터의 신호를 판독하도록 되어 있으므로, 원하는 타이밍에서 신호를 판독할 수 있음과 아울러, 유지 기간에 있어서의 신호의 오염을 억제할 수 있다.
본 발명은 이하의 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 충분히 이해할 수 있을 것이다. 첨부 도면은 설명을 위한 것일 뿐이고, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치를 도시된 실시형태에 의해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치의 일부를 도시한 회로도이다.
이 증폭형 고체 촬상 장치는 화소부(10)와 제어부(20)를 구비한다.
상기 화소부(10)는 1개의 화소, 1개의 스위치드 커패시터 증폭부 및 선택부(5)를 구비한다.
상기 화소는 광전 변환 소자의 일예로서의 매립형 포토다이오드(1)와 이 포토다이오드(1)의 신호 전하를 검출부(FD)에 전송하는 역할을 함과 아울러, 도 8의 M1과 같은 구조를 갖는 전송 트랜지스터로 구성되는 전송부(2)로 구성되어 있다.
상기 스위치드 커패시터 증폭부는, 전송부(2)로부터의 신호를 커패시턴스 소자에 전송하는 반전 증폭기(3), 반전 증폭기(3)의 입출력간을 쇼트한 전위에 검출부(FD)를 리셋하는 리셋용 스위칭 소자로 구성되는 리셋부(4), 및 신호 전하를 축적하는 커패시턴스 소자로 구성된다. 또한, 상기 커패시턴스 소자는 포토다이오드(1)로부터의 신호를 유지하는 제 1 커패시턴스 소자(7), 및 리셋 레벨을 유지하는 제 2 커패시턴스 소자(9)를 구비하고 있다. 제 1 커패시턴스 소자(7)에는 그것을 제어하는 제 1 스위칭 소자(6), 제 2 커패시턴스 소자(9)에는 그것을 제어하는 제 2 스위칭 소자(8)가 각각 직렬로 접속되어 있다.
상기 리셋 트랜지스터로 이루어지는 리셋부(4)는 스위칭 소자로서의 역할을 하고 있다. 상기 제 1 커패시턴스 소자(7)와 제 1 스위칭 소자(6)는 제 1 경로를 구성하고, 상기 제 2 커패시턴스 소자(9)와 제 2 스위칭 소자(8)는 제 2 경로를 구성하고 있다. 상기 제 1 스위칭 소자(6) 및 제 2 스위칭 소자(8)는 트랜지스터로 구성되어 있다.
상기 선택부(5)는 트랜지스터로 구성되는 스위칭 소자이다. 상기 선택부(5)는 제 1 커패시턴스 소자(7) 및 제 2 커패시턴스 소자(9)로부터의 신호를 신호 선(11)에 출력하는 역할을 하고 있다.
또한, 제어부(20)는 전송부(2), 리셋부(4), 선택부(5), 제 1 스위칭 소자(6), 제 2 스위칭 소자(8)의 각각에 신호(φTi, φRi, φSi, φWi, φDi)를 인가함으로써, 전송부(2), 리셋부(4), 선택부(5), 제 1 스위칭 소자(6), 제 2 스위칭 소자(8)의 구동을 제어하도록 되어 있다(여기에서, 첨자i는 i행째 화소부를 나타낸다.).
도 2는 도 1에 1화소부의 구성을 도시한 증폭형 고체 촬상 장치의 일실시형태의 타이밍 차트이다.
이하, 도 2를 이용하여 상기 증폭형 고체 촬상 장치의 동작에 대해서 설명한다.
우선, 기간(TW)에 있어서, 모든 화소의 기록 동작과 화소 리셋(제 2 리셋)동작을 일괄하여 동시에 행한다. 여기에서, 1프레임(Tint) 전의 기간(TW)에도 동일 동작이 행하여지기 때문에, 기간(TW)의 최초에 광전 변환 소자에는 기간(Tint)의 사이에 포토다이오드에 발생된 신호 전하를 축적하고 있다.
상세하게는, TW에 있어서의 최초의 기간(T1)에서 리셋 펄스(φRi)를 온으로 함으로써 검출부(FD)의 전위를 리셋(제 1 리셋) 동작시킴과 아울러, 스위치(φWi, φDi)를 온으로 함으로써 FD의 리셋 레벨을 제 1 커패시턴스 소자(7) 및 제 2 커패시턴스 소자(9)에 유지하도록 한다.
그 다음, 기간(T1) 후의 기간(T2)의 사이에 펄스(φDi)를 오프(로우 레벨)로 하여 제 2 커패시턴스 소자(9)에 FD의 리셋 레벨을 기록한 후, 기간(T3)에 있어서 전송 펄스(φTi)를 온으로 하여, 1프레임 전의 Tint의 사이에 포토다이오드에 노광 축적된 신호 전하를 FD부에 전송한다. 이 때, 펄스(φWi)를 온으로 함으로써, FD의 신호 레벨을 제 1 커패시턴스 소자(7)에 유지하도록 한다.
최후에, 기간(T3) 후의 기간(T4)의 사이에 펄스(φWi)를 오프시키고, 제 1 커패시턴스 소자(7)에 FD의 신호 레벨을 기록하도록 한다. 이상의 동작을 모든 화소에서 동시에 행한다.
이상의 기록 동작에 있어서, FD부의 리셋은 기간(T1)에서의 1회뿐이며, 이 때, 기록시 리셋 노이즈(Vnw)가 발생한다. 그리고, 제 2 커패시턴스 소자(9)에 유지된 리셋 레벨과 제 1 커패시턴스 소자(7)에 유지된 신호 레벨은 동일 리셋 노이즈(Vnw)를 갖게 된다. 또한, 기간(T1)에 있어서, 제 1 커패시턴스 소자(7) 및 제 2 커패시턴스 소자(9)를 리셋할 때, 제 1 스위칭 소자(6) 및 제 2 스위칭 소자(8)가 함께 온으로 되기 때문에, 제 1 커패시턴스 소자(7) 및 제 2 커패시턴스 소자(9)에는 공통으로 kTC 노이즈(Vktc)가 기록되도록 되어 있다.
이 증폭형 고체 촬상 장치에서는 각 화소에 있어서 리셋 레벨과 신호 레벨을 동시에 기록한 후, 기간(Ts)에 있어서 각 화소로부터의 판독 동작을 1행 간격으로 순차적으로 행하도록 되어 있다. 상세하게는, 우선 i행째 화소에 있어서 기간(T5)의 사이에 리셋 펄스(φRi)를 온으로 함으로써, 검출부(FD)의 전위를 리셋하도록 되어 있다. 그 후, 기간(T6)의 사이에 펄스(φDi) 등을 온으로 하여 제 2 커패시턴스 소자(9)에 유지된 리셋 레벨을 판독한 후, 기간(T7)의 사이에 펄스(φWi)를 온으로 해서 제 1 커패시턴스 소자(7)에 유지된 신호 레벨을 판독하도록 되어 있다. 그리고, 도 2에서 1H로 도시된 1수평 주사 기간이 종료된 후, i+1행째 화소에 있어서, 상기와 같은 동작을 되풀이하도록 되어 있다.
이 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에서는 판독 동작은 1행 간격으로 순차적으로 실시되지만, 각 화상은 동시에 받아들여지는 것이므로 움직임이 있는 피사체에도 비틀림없이 촬상할 수 있다. 이상의 판독 동작에 있어서, FD부의 리셋은 기간(T5)에서의 1회뿐이며, 이 때, 판독시 리셋 노이즈(Vnr)가 발생한다. 제 2 커패시턴스 소자(9)로부터 판독된 리셋 레벨과 제 1 커패시턴스 소자(7)로부터 판독된 신호 레벨에는 동일 리셋 노이즈(Vnr)가 중첩되어 있는 것으로 된다.
상술한 바와 같이, 이 증폭형 고체 촬상 장치에서는 2개의 신호, 즉, 제 2 커패시턴스 소자(9)에 유지된 리셋 레벨과 제 1 커패시턴스(7)에 유지된 신호 레벨에 공통된 기록시 리셋 노이즈(Vnw, kTC) 노이즈(Vktc) 및 판독시 리셋 노이즈(Vnr)가 중첩하고 있다. 따라서, 도시하지 않았지만, 후단의 CDS 동작에 있어서 상 기 2개의 신호간의 차이를 취함으로써, 양 리셋 노이즈 및 kTC 노이즈를 함께 제거할 수 있고 신호 성분만을 추출할 수 있다. 따라서, 종래기술보다도 현저하게 노이즈가 적어서 명료한 화상을 획득할 수 있다.
또한, 기간(TW)에 있어서 화소 리셋(제 2 리셋) 동작은 기간(T3)에 있어서 전송 펄스(φT)를 온으로 하여 포토다이오드에 노광 축적된 신호 전하를 FD부에 전송함으로써 행하여진다. 그러나, 포토다이오드에 축적된 신호 전하가 상당히 많은 경우, 본 동작만으로는 화소 리셋 동작이 불충분하게 될 수도 있다. 이 경우, 도 2의 파선으로 도시된 바와 같이, 기간(TR)에 있어서 추가로 리셋 펄스(φR) 및 전송 펄스(φT)를 온시킴으로써 보강 화소 리셋 동작을 행해도 좋다.
도 2에 도시된 타이밍 차트를 채용한 경우, 양 리셋 노이즈 및 kTC 노이즈를 함께 제거할 수 있는 등의 작용 효과를 획득가능한 반면, 기간(TW)및 기간(TR)에서의 화소 리셋 동작시 및 기록 동작시에 모든 화소부 내 반전 증폭기를 동시에 구동하는 필요가 생겨 구동 전류가 집중하여 순간적으로 큰 전류가 흐른다고 하는 문제가 있다.
도 3은 도 1에 구성을 도시한 증폭형 고체 촬상 장치의 다른 실시형태의 타이밍 차트이며, 상기 순간적으로 큰 전류를 회피할 수 있는 타이밍 차트이다.
우선, 기간(TW)에 있어서, 모든 화소의 기록 동작과 화소 리셋(제 2 리셋) 동작을 1행당 기간(T0)으로 순차적으로 고속으로 되풀이하여 행한다. 여기에서, 1프 레임(Tint) 전의 기간(TW)에도 동일한 동작이 행하여지기 때문에, 각 행과 함께 기간(T0)의 최초에 있어서 광전 변환 소자에는 기간(Tint)의 사이에, 포토다이오드에 발생한 신호 전하를 축적하고 있다.
기간(TW)에 있어서, i행째 화소의 반전 증폭기를 구동하는 것은 펄스(VDi)가 하이 레벨의 기간뿐이다. 또한, 이 중의 기간(T1, T2, T3, T4)에 있어서의 동작은 도 2의 경우와 같다. 즉, 기간(Tint)의 사이에 포토다이오드에 발생ㆍ축적한 신호 전하의 기록과 화소 리셋(제 2의 리셋) 동작을 행마다 행한다. 이들 동작을 1행당 기간(T0)에서 순차적으로 고속으로 되풀이하고 n행으로 되는 전 화소의 기록 동작을 nT0 기간에서 종료하도록 되어 있다. 이 동작 타이밍 챠트에서는 기록 및 화소 리셋 시에도 반전 증폭기의 구동을 1행마다 행하도록 되어 있으므로, 구동 전류의 집중을 확실하게 방지할 수 있다.
계속해서, 기간(TS)에 있어서는 도 2의 경우와 아주 동일하게 각 화소로부터의 판독 동작을 1행 간격에 순차적으로 행하도록 되어 있다.
도 3에 도시한 동작에 있어서, 화면 전체의 제 2 리셋 및 기록 동작에는 기간(nT0)를 요한다. 보다 구체적으로는, T0는 통상 1us정도이기 때문에, VGA(640×480)화소 정도이면 화면 전체의 제 2 리셋 및 기록 동작을 0.5ms정도로 종료할 수 있다. 따라서, 이 시간은 셔터 시간1/2000s에 상당하는 시간이므로, 움직임이 있는 피사체의 촬상에도 비틀림량을 상당히 작게 할 수 있다.
또한, 도 2의 경우와 같이, 기간(TW)에 있어서 화소 리셋(제 2의 리셋) 동작은 기간(T3)에 있어서 전송 펄스(φT)를 온으로 하여 포토다이오드에 노광 축적된 신호 전하를 FD부에 전송함으로써 행하여진다. 그러나, 포토다이오드에 축적된 신호 전하가 상당히 많은 경우, 본 동작만으로는 화소 리셋 동작이 불충분하게 될 수도 있다. 이 경우, 도 3의 파선으로 도시된 바와 같이, 펄스(VD)가 하이 레벨의 기간인 기간(TR)에 있어서 추가로 리셋 펄스(φR) 및 전송 펄스(φT)를 온시킴으로써, 보강 화소 리셋 동작을 행해도 좋다.
또한, 도 1에 도시된 증폭형 고체 촬상 장치는 화소부(10)에 1개의 화소와 1개의 스위치드 커패시터 증폭부를 구비한 구성이었지만, 본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치는 이 구성에 한정되는 것이 아닌 것은 물론이다.
도 4는 본 발명의 도 1과 다른 구성의 증폭형 고체 촬상 장치를 도시한 도면이다.
이 증폭형 고체 촬상 장치의 화소부(40)는 2개의 화소와 1개의 스위치드 커패시터 증폭부를 구비하고 있다.
상기 2개의 화소는 병렬로 접속되어 있다. 상기 2개의 화소는 광전 변환 소자의 일예로서의 매립형 포토다이오드(41), 이 포토다이오드(41)의 신호 전하를 검출부(FD)에 전송하는 역할을 함과 아울러, 전송 트랜지스터로 이루어진 전송부(21)를 갖는 화소, 광전 변환 소자의 일예로서의 매립형 포토다이오드(42), 및 이 포토다이오드(42)의 신호 전하를 검출부(FD)에 전송하는 역할을 함과 아울러, 전송 트 랜지스터로 이루어진 전송부(22)를 갖는 화소로 구성되어 있다.
또한, 스위치드 커패시터 증폭부는 전송부(21, 22)로부터의 신호를 커패시턴스 소자에 전송하는 반전 증폭기(33), 반전 증폭기(33)의 입출력간을 쇼트시킨 전위로 검출부(FD)를 리셋하는 리셋용 스위칭 소자로 이루어진 리셋부(44), 신호 전하를 축적하는 커패시턴스 소자로 구성되어 있다.
또한, 커패시턴스 소자는 포토다이오드로부터의 신호를 유지하는 제 1 커패시턴스 소자(71 및 72), 및 리셋 레벨을 유지하는 제 2 커패시턴스 소자(91 및 92)를 구비하고 있다. 제 1 커패시턴스 소자(71)에는 제 1 커패시턴스 소자(71)의 동작을 제어하는 제 1 스위칭 소자(61)가 직렬로 접속되고, 제 1 커패시턴스 소자(72)에는 제 1 커패시턴스 소자(72)의 동작을 제어하는 제 1 스위칭 소자(62)가 직렬로 접속되어 있다. 또한, 제 2 커패시턴스 소자(91)에는 제 2 커패시턴스 소자(91)의 동작을 제어하는 제 2 스위칭 소자(81)가 직렬로 접속되고, 제 2 커패시턴스 소자(92)에는 제 2 커패시턴스 소자(92)의 동작을 제어하는 제 2 스위칭 소자(82)가 직렬로 접속되어 있다. 상기 제 1 스위칭 소자(61), 제 1 스위칭 소자(62), 제 2 스위칭 소자(81) 및 제 2 스위칭 소자(82)는 트랜지스터로 구성되어 있다. 제 1 커패시턴스 소자(71) 및 제 1 스위칭 소자(61)는 제 1 경로를 구성함과 아울러, 제 1 커패시턴스 소자(72) 및 제 1 스위칭 소자(62)는 제 1 경로를 구성하고 있다.또한, 제 2 커패시턴스 소자(91) 및 제 1 스위칭 소자(81)는 제 2 경로를 구성함과 아울러, 제 1 커패시턴스 소자(92) 및 제 1 스위칭소자(82)는 제 2 경로를 구성하고 있다.
상기 화소부(40)는 선택부(55)를 갖고 있다. 상기 선택부(55)는 트랜지스터로 구성되는 스위칭 소자이다. 상기 선택부(55)는 제 1 커패시턴스 소자(71), 제 1 커패시턴스 소자(72), 제 2 커패시턴스 소자(91) 및 제 1 커패시턴스 소자(92)로부터의 신호를 신호선에 출력하는 역할을 하고 있다.
또한, 도 4에 있어서, φT1i, φT2i, φRi, φSi, φW1i, φW2i, φD1i, φD2i는 도시되지 않는 구동부로부터 전송부(21), 전송부(22), 리셋부(44), 선택부(55), 스위칭 소자(61), 스위칭 소자(62), 스위칭 소자(81) 및 스위칭 소자(82)에 각각 인가되는 펄스 신호이다. 또한, 첨자i는 i행째의 화소부를 도시하고 있다.
도 4에 도시된 증폭형 고체 촬상 장치는 2행분을 같은 스위치드 커패시터 증폭부로 사용하는 점만이 도 1에 도시된 증폭형 고체 촬상 장치와 다르다.
도 4에 도시된 증폭형 고체 촬상 장치는 기록 동작시에 있어서는, 우선 홀수행에 있어서 커패시턴스 소자(71,91)에 대하여 도 1과 같은 동작을 행한 후, 짝수행에 있어서 커패시턴스 소자(72,92)에 대하여 도 1과 같은 동작을 행하도록 되어 있고, 이것을 2행 단위로 순차적으로 되풀이하도록 되어 있다. 또한, 판독도 도 1과 같이 홀수행에 있어서 도 1과 같은 동작을 커패시턴스 소자(71,91)에 대하여 행한 후, 짝수행에 있어서 도 1과 같은 동작을 커패시턴스 소자(72,92에) 대하여 행하도록 되어 있고, 이것을 2행 단위로 순차적으로 되풀이하도록 되어 있다.
도 4에 도시된 증폭형 고체 촬상 장치는 1개의 스위치드 커패시터 증폭부가 2개의 화소의 신호 처리를 행하도록 되어 있으므로, 1화소당의 트랜지스터 수를 삭 감할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 증폭형 고체 촬상 장치에서는 2화소를 공유하고 있음으로써 스위치드 커패시터 증폭부의 입력 용량이 증대하지만, 게인(gain)이 충분히 높은 반전 증폭기를 이용함으로써, 입력 용량의 영향을 억제할 수 있다.
도 1 및 도 4에 도시된 증폭형 고체 촬상 장치에서는 1개의 화소당 커패시턴스 소자가 2개이었지만, 1개의 화소당 커패시턴스 소자가 1개여도 충분하고, 이 경우에 있어서도, 수광 영역 전체에서 한번에 기록을 행하고, 순차적으로 판독 동작을 행할 수 있다.
도 5A, 도 5B는 1개의 화소당 커패시턴스 소자가 1개인 증폭형 고체 촬상 장치의 부분 회로도이다.
도 5A, 도 5B에 있어서, 201, 311 및 312는 매립형 포토다이오드이며, 202, 321 및 322는 스위칭 소자에서 구성된 전송부이다. 또한, 203 및 303은 반전 증폭기이며, 204 및 304는 리셋용 스위칭 소자로 구성된 리셋부이다. 또한, 205 및 305는 스위칭 소자에서 구성된 선택부이고, 206, 361 및 362는 제 1 스위칭 소자이며, 207, 371 및 372는 제 1 커패시턴스 소자이다. 상기 여러가지의 스위칭 소자는 트랜지스터로 구성되어 있다.
또한, 상기 제 1 스위칭 소자(206)와 제 1 커패시턴스 소자(207), 제 1 스위칭 소자(361)와 제 1 커패시턴스 소자(371) 및 제 1 스위칭 소자(362)와 제 1 커패시턴스 소자(372)는 각각 제 1 경로를 구성하고 있다.
또한, 신호φTi, φRi, φSi, φWi, φT1i, φT2i, φRi, φSi, φW1i, φW2i는 도시되지 않은 구동부로부터 상기 여러가지의 스위칭 소자로 출력되는 펄스 신호이다.
도 5A, 도 5B에 도시된 증폭형 고체 촬상 장치는 리셋 노이즈의 삭감을 할 수 없는 반면에 움직임이 있는 피사체에서도 비틀림없이 촬상할 수 있고, 또한 도 1, 도 4의 경우와 비교하여 화소당의 커패시터수를 저감할 수 있고 소형화를 실현할 수 있다.
또한, 도 4에서는 1개의 스위치드 커패시터 증폭부가 2개의 화소 신호 처리를 행하도록 되어 있었지만, 본 발명에서는 1개의 스위치드 커패시터 증폭부가 더 많은 화소, 예를 들면, 4화소 내지 8화소의 신호 처리를 행하도록 되어 있어도 충분하고, 이 경우, 1화소당 트랜지스터 수를 더욱 감소시킬 수 있고, 제조 가격을 더욱 삭감할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치의 일부 단면도이다.
이하, 도 6을 이용하여 본 발명의 다른 이점을 설명하기로 한다.
이 증폭형 고체 촬상 장치는 P형 기판(101)과 P형 기판(101)상에 형성된 포토다이오드로서의 N형 광전 변환 축적부(102)와 광전 변환 축적부(102)상에 형성된 표면 전위를 고정하는 피닝층(103)을 구비한다.
또한, 상기 P형 기판(101)상의 포토다이오드의 인접부에는 전송 게이트(106)가 형성되어 있고, 추가로, 상기 P형 기판(101)상의 전송 게이트(106)의 인접 부분에는 전하 검출부(104)가 형성되어 있다.
또한, 전하 검출부(104)상에는 차광층(107)이 형성되어 있다. 도 6에 도시된 증폭형 고체 촬상 장치에서는 전하 검출부(104)에 인접하여 스위치 게이트(108)가 있고, 전하 검출부(104)는 스위치 게이트(108)를 통하여 커패시터의 단자(109)에 접속되어 있다.
이 구성에서는, 경사진 입사광이 커패시터의 단자(109)까지 도달하는 것을 거의 완전하게 방지할 수 있음과 아울러, 광전 변환 축적부(102)의 하측까지 도달한 입사광에 의해 광전 변환된 전하가 커패시터 단자(109)까지 도달하는 것도 거의 완전하게 방지할 수 있다. 따라서, 전하 검출부(104)에서의 유지 기간(Ts)의 사이에 신호가 입사광에 의해 오염되는 정도를 대폭 저감할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만 이것은 여러가지로 변경해도 바람직한 것은 명확하다. 그러한 변경은 본 발명의 정신과 범위로부터 일탈하는 것으로 간주되어서는 안되고, 당업자에 있어서 자명한 변경은 모두, 다음에 계속되는 클레임의 범위 안에 포함되는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 증폭형 고체 촬상 장치는 움직임이 있는 피사체에도 비틀림없이 촬상할 수 있음과 아울러, 리셋 노이즈를 억제할 수 있어서 S/N이 좋은 화상을 얻을 수 있고, 더욱이, 유지 기간에서의 신호의 오염을 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 광전 변환 소자와 이 광전 변환 소자로부터의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 갖는 화소;
    직렬로 접속된 제 1 스위칭 소자와 제 1 커패시턴스 소자를 갖는 제 1 경로, 반전 증폭기, 및 리셋용 스위칭 소자를 병렬로 접속해서 이루어지는 스위치드 커패시터 증폭부; 및
    상기 전송 트랜지스터를 오프로 하여, 상기 광전 변환 소자에 신호 전하를 축적하는 제어를 행한 후, 상기 리셋용 스위칭 소자에 의해 상기 반전 증폭기의 입력을 리셋하는 제 1 리셋 동작을 행하고, 그 후 상기 제 1 스위칭 소자를 온으로 함과 아울러, 상기 리셋용 스위칭 소자를 오프로 한 상태에서 상기 전송 트랜지스터를 소정 시간 동안 온으로 하여 상기 광전 변환 소자에 축적되어 있는 신호 전하를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 기록하는 제어를 행하고, 그 후, 상기 제 1 스위칭 소자를 온으로 하여, 상기 제 1 커패시턴스 소자에 기록한 신호 전하를 상기 스위치드 커패시터 증폭부로부터 출력하는 제어를 행하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치드 커패시터 증폭부는 상기 제 1 경로에 병렬로 접속됨과 아울러, 직렬로 접속된 제 2 스위칭 소자 및 제 2 커패시턴스 소자를 갖는 제 2 경로를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자를 온으로 함으로써, 상기 제 1 커패시턴스 소자 및 상기 제 2 커패시턴스 소자에 상기 제 1 리셋 동작된 때의 리셋 신호를 기록하는 제어를 행한 후, 상기 제 1 스위칭 소자를 온으로 함과 아울러 상기 제 2 스위칭 소자를 오프로 하여, 상기 제 1 커패시턴스 소자만에 상기 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하를 기록하는 제어를 행하고, 그 후, 상기 제 1 스위칭 소자를 온으로 하여 상기 제 1 커패시턴스 소자에 기록한 신호 전하를 상기 스위치드 커패시터 증폭부로부터 출력하는 제어, 및 상기 제 2 스위칭 소자를 온으로 하여 상기 제 2 커패시턴스 소자에 기록된 리셋 신호를 상기 스위치드 커패시터 증폭부로부터 출력하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화소는 복수 존재하고,
    상기 제어부는 상기 복수의 화소가 갖는 모든 상기 광전 변환 소자의 신호를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 동시에 기록하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모든 광전 변환 소자의 신호를 상기 제 1 커패시턴스 소 자에 동시에 기록하는 제어를 행하기 전에, 상기 광전 변환 소자의 신호를 리셋하는 제 2 리셋 동작을 모든 광전 변환 소자에 대하여 동시에 행하는 제어를 하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 화소는 복수 존재하고,
    상기 제어부는 상기 복수의 화소가 갖는 모든 상기 광전 변환 소자의 신호를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 순차적으로 기록하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모든 광전 변환 소자의 신호를 상기 제 1 커패시턴스 소자에 순차적으로 기록하는 제어를 행하기 전에, 상기 광전 변환 소자의 신호를 리셋하는 제 2 리셋 동작을 모든 광전 변환 소자에 대하여 순차적으로 행하는 제어를 하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자는 매립형 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
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