KR100702910B1 - 증폭형 고체 촬상 장치 - Google Patents

증폭형 고체 촬상 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100702910B1
KR100702910B1 KR1020060035761A KR20060035761A KR100702910B1 KR 100702910 B1 KR100702910 B1 KR 100702910B1 KR 1020060035761 A KR1020060035761 A KR 1020060035761A KR 20060035761 A KR20060035761 A KR 20060035761A KR 100702910 B1 KR100702910 B1 KR 100702910B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
transistor
unit
photoelectric conversion
amplifying
transfer
Prior art date
Application number
KR1020060035761A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20060110826A (ko
Inventor
에이지 코야마
Original Assignee
샤프 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 샤프 가부시키가이샤 filed Critical 샤프 가부시키가이샤
Publication of KR20060110826A publication Critical patent/KR20060110826A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100702910B1 publication Critical patent/KR100702910B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H04N25/59—Control of the dynamic range by controlling the amount of charge storable in the pixel, e.g. modification of the charge conversion ratio of the floating node capacitance
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/778—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising amplifiers shared between a plurality of pixels, i.e. at least one part of the amplifier must be on the sensor array itself

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치에 있어서, 스위치드 커패시터 증폭부(switched capacitor amplifier portion)(20)의 입력측은 포토다이오드(1)와 전송 트랜지스터(2)를 갖는 복수의 광전 변환 전송부(10)를 그룹화하여 얻어진 광전 변환 전송부 군(群)의 각 전송 트랜지스터(2)의 출력측에 접속되고, 스위치드 커패시터 증폭부(20)의 출력측은 수직 신호선(9)에 접속된다. 상기 스위치드 커패시터 증폭부(20)는 신호 전하 축적부(8), 신호 전하 축적부(8)가 입력측에 접속된 증폭 트랜지스터(3), 증폭 트랜지스터(3)의 입출력 사이에 접속된 커패시터(6) 및 리셋 트랜지스터(5)를 갖는다. 제어부(25)에 의해 리셋 트랜지스터(5)와 스위칭부(12)를 제어함으로써, 증폭 트랜지스터(3)와 정전류 부하 트랜지스터(4)로 구성된 반전 증폭기의 입력측 전위가 제어된다. 이 장치에 의하면, 고화질의 화상을 얻을 수 있음과 아울러, 화소 사이즈를 소형화할 수 있다.
증폭형 고체 촬상 장치

Description

증폭형 고체 촬상 장치{AMPLIFICATION TYPE SOLID-STATE IMAGING DEVICE}
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 2차원 증폭형 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 2a는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상 장치의 구동 펄스의 타이밍 차트이다.
도 2b는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상 장치에서 신호 전하가 판독되지 않는 라인(신호 전하 축적부 군)의 동작 동안에 구동 펄스의 타이밍 차트이다.
도 3은 상기 2차원 증폭형 고체 촬상 장치의 반전 증폭기 싱글 유닛(single unit)의 회로도이다.
도 4는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상 장치의 반전 증폭기의 특성이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 2차원 증폭형 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 6a는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상 장치의 구동 펄스의 타이밍 차트이다.
도 6b는 상기 2차원 증폭형 고체 촬상 장치에서 신호 전하가 판독되지 않는 라인(신호 전하 축적부 군)의 동작 동안에 구동 펄스의 타이밍 차트이다.
도 7은 종래의 증폭형 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 8은 상기 증폭형 고체 촬상 장치의 구동 펄스의 타이밍 차트이다.
본 발명은 증폭형 고체 촬상 장치에 관한 것이며, 또한 노이즈가 적은 증폭형 고체 촬상 장치를 작은 화소 사이즈에 의해 실현하는 방법에 관한 것이다.
종래, 증폭형 고체 촬상 장치로서는 증폭 기능을 가진 화소부와 그 화소부의 주변에 주사 회로를 갖고, 그 주사 회로에 의해 화소 데이터를 판독하는 증폭형 고체 촬상 장치가 제안되어 있다. 특히, 화소 구성을 주변의 구동 회로 및 신호 처리 회로와 일체화하는데에 유리한 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)로 구성된 APS(Active Pixel Sensor)형 이미지 센서가 알려져 있다.
상기 APS형 이미지 센서에 있어서, 보통 1화소 내에 광전 변환부, 증폭부, 화소 선택부, 및 리셋부를 형성할 필요가 있다. 따라서, APS형 이미지 센서에는 보통 포토다이오드로 이루어지는 광전 변환부 외에 3∼4개의 MOS 트랜지스터가 사용된다.
그러나, 1화소 당 3∼4개의 MOS 트랜지스터가 필요하면 화소 사이즈의 소형화의 제약이 된다. 따라서, 1화소 당 트랜지스터 수를 저감하는 방법이 제안되어 있다(JP H09-46596 A 참조).
도 7은 상기 1화소 당 트랜지스터 수를 저감하는 증폭형 고체 촬상 장치의 요부의 회로도를 도시하고 있다. 이 증폭형 고체 촬상 장치는 포토다이오드(101), 이 포토다이오드(101)에 축적된 신호 전하를 전송하기 위한 전송 트랜지스터(102), 리셋 트랜지스터(131), 증폭용 트랜지스터(132), 및 화소 선택용 트랜지스터(133) 로 구성되어 있다. 이 경우, 포토다이오드(101)를 매립형으로 하고 상기 포토다이오드(1O1)로부터의 신호 전하 전송을 완전하게 하면, 현저히 노이즈를 감소시킬 수 있고 고화질의 화상을 얻을 수 있다는 것이 알려져 있다.
도 7에 도시한 증폭형 고체 촬상 장치의 동작을 도 8의 타이밍 차트에서 도시한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 기간(T1)에서는 공통의 리셋 트랜지스터(131)의 게이트로 인가되는 구동 펄스[φR(m)]가 하이레벨이 되어 리셋 트랜지스터(131)가 온 상태가 되고, 상기 게이트 하의 포텐셜 전위가 상승한다. 따라서, 공통의 신호 전하 축적부(108)에 의해 공통의 리셋 트랜지스터(131)의 드레인 측으로 전하 이동이 일어나 신호 전하 축적부(108)의 전위가 전원 전위(VDD)로 리셋된다.
다음 기간(T2)에서는, 공통의 리셋 트랜지스터(131)의 게이트에 인가된 구동 펄스[φR(m)]가 로(low) 레벨이 되어 리셋 트랜지스터(131)가 오프 상태가 된다. 그러나, 공통의 화소 선택용 트랜지스터(133)의 게이트에 인가된 구동 펄스[φS(m)]는 여전히 하이레벨이고 화소 선택용 트랜지스터(133)는 온 상태이기 때문에, 리셋 레벨이 공통의 증폭용 트랜지스터(132)를 통해 신호선(135)에 판독된다. 이 때, 증폭용 트랜지스터(132)와 정전류 부하 트랜지스터(134)는 소스 폴로워 회로(source follower circuit)를 구성한다.
이어서, 기간(T3) 동안에는, 공통의 화소 선택용 트랜지스터(133)의 게이트에 인가된 구동 펄스[φS(m)]가 로 레벨이 되어 화소 선택용 트랜지스터(133)가 오프 상태가 되고, 제 (m, 1)행의 전송 트랜지스터(102)의 게이트에 인가된 구동 펄 스[φT(m, 1)]는 하이레벨이 되어 온 상태가 되며, 게이트의 포텐셜이 상승한다. 따라서, 제 (m, 1)행의 포토다이오드(101)에 축적된 신호 전하가 신호 전하 축적부(108)로 전송된다.
다음 기간(T4)에서는, 제 (m, 1)행의 전송 트랜지스터(102)의 게이트에 인가된 구동 펄스[φT(m, 1)]가 로 레벨이 되어 전송 트랜지스터(102)는 오프 상태가 된다. 그러나, 공통의 신호 전하 축적부(108)에서는 신호 전하 전송시의 전위가 유지되고, 공통의 화소 선택용 트랜지스터(133)의 게이트에 인가된 구동 펄스[φS(m)]는 하이레벨이 되어 온 상태가 된다. 따라서, 제 (m, 1)행의 신호 레벨이 공통의 증폭용 트랜지스터(132)를 통해 신호선(135)에 판독된다.
그 다음, 1수평 주사 기간(1H) 후, 제 (m, 2)행째의 화소에 대해서 제 (m, 2)행의 포토다이오드(101)로부터의 신호 전하가 제 (m, 2)행의 전송 트랜지스터(102)를 통해 공통의 리셋 트랜지스터(131), 증폭용 트랜지스터(132), 및 화소 선택용 트랜지스터(133)로 전도되고, 상기 기간(T1 ∼ T4)에서와 마찬가지의 동작이 행해진다.
상기 구성 및 동작에 있어서, 2화소 당 1개의 공통부로 하면 2.5트랜지스터/화소, 4화소 당 1개의 공통부로 하면 1.75트랜지스터/화소가 된다. 즉, 이들 예에서는 1화소 당 상기 트랜지스터 수를 삭감할 수 있다.
그러나, 상기 종래의 증폭형 고체 촬상 장치에서는 구성 및 동작에 있어서 다음과 같은 문제가 생긴다. 즉, 공통의 신호 전하 축적부(108)의 용량을 CFD로 가정하면, 포토다이오드(101)로부터의 신호 전하(△Qsig)를 전압 신호(△Vsig)로 변 환하는 전하 전압 변환 효율(η)은
η = G·△Vsig/△Qsig = G/CFD
가 된다. 여기에서, G는 증폭용 트랜지스터(132)와 정전류 부하 트랜지스터(134)로 구성되는 소스 폴로워 회로의 게인(gain)이며, 통상 1 보다 약간 작은 값(0.8 ∼ 0.9)을 가진다. η을 크게 하기 위해서는 용량(CFD)을 작게 할 필요가 있다. 상기 신호 전하 축적부(108)의 용량(CFD)은 신호 전하 축적부(108)에 접속된 전송 트랜지스터(102)의 드레인측 접합 용량과 증폭 트랜지스터(132)의 게이트 용량 및 기판의 접합 용량의 총 합계이다. 따라서, 공통의 신호 전하 축적부에 접속되는 포토다이오드 및 전송 트랜지스터의 수가 많아질수록 전하 전압 변환율(η)은 저하된다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하는 것으로서, 그 목적은 고화질의 화상을 얻을 수 있고 또한 화소 사이즈를 감소시킬 수 있는 증폭형 고체 촬상 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치는 광전 변환 소자와 상기 광전 변환 소자의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 갖는 광전 변환 전송부가 화소마다 설치된 증폭형 고체 촬상 장치로서, 상기 화소마다 설치된 복수의 광전 변환 전송부가 소정 수의 광전 변환 전송부 군으로 그룹화되고, 상기 광전 변환 전송부 군에 각각 설치되고 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지 스터의 출력측에 접속된 입력측과 신호선에 접속된 출력측을 가지는 스위치드 커패시터 증폭부(switched capacitor amplifier portion)와, 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 출력측과 상기 신호선을 통해 접속된 전원측 부하와, 상기 신호선에 접속된 상기 전원측 부하를 일정 전위부로 스위칭하기 위한 스위칭부와, 상기 전송 트랜지스터와 상기 스위치드 커패시터 증폭부 및 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 스위치드 커패시터 증폭부는 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측에 접속된 신호 전하 축적부와, 상기 신호 전하 축적부에 접속된 입력측과 상기 신호선에 접속된 출력측을 갖는 증폭 트랜지스터와, 상기 증폭 트랜지스터의 입출력 사이에 접속된 커패시턴스 소자와, 상기 증폭 트랜지스터의 입출력 사이에 접속된 리셋 트랜지스터를 갖고, 상기 제어부에 의해 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 리셋 트랜지스터와 상기 스위칭부를 제어함으로써 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 증폭 트랜지스터와 상기 전원측 부하로 구성된 반전 증폭기의 입력측 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 상기 제어부는 광전 변환 전송부 군의 각각에 있어서 스위치드 커패시터 증폭부에 의해 광전 변환 전송부 군 마다 전송 트랜지스터를 통해 광전 변환 소자로부터 신호를 판독하도록 전송 트랜지스터와 스위치드 커패시터 증폭부를 제어한다.
이와 같이, 상기 광전 변환 전송부 군의 각각의 복수의 화소에 대해 공통의 증폭 회로(신호 전하를 전압으로 변환해서 증폭하는 스위치드 커패시터 증폭부)를 구비함으로써, 1화소 당 트랜지스터 수를 삭감하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 증폭 회로를 스위치드 커패시터 타입으로 함으로써 신호 전하 축적부의 용량을 실효적으로 저감할 수 있고, 전하 전압 변환 게인을 높일 수 있다. 따라서, 노이즈가 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있음과 아울러, 1화소 당 트랜지스터 수를 대폭 삭감해서 화소 사이즈를 소형화할 수 있다.
또한, 상기 제어부에 의해 스위치드 커패시터 증폭부의 리셋 트랜지스터와 스위칭부를 제어하고, 신호선에 접속된 전원측 부하를 일정 전위부로 스위칭하여, 리셋 트랜지스터를 온 상태로 함으로써, 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 증폭 트랜지스터와 전원측 부하로 구성된 반전 증폭기의 입력측 전위를 상기 일정 전위부의 전위로 하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 일정 전위부의 전위를 스위치드 커패시터 증폭부의 증폭 트랜지스터의 역치 전위 보다도 낮게함으로써, 상기 반전 증폭기는 동작되지 않는다. 따라서, 상기 제어부에 의해 스위치드 커패시터 증폭부의 리셋 트랜지스터와 스위칭부를 제어함으로써 간단한 구성으로 반전 증폭기의 동작을 제어할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제어부는 신호 전하의 판독 동작을 행하지 않는 기간 동안, 상기 스위칭부를 제어해서 상기 신호선에 접속된 상기 전원측 부하를 상기 일정 전위부로 스위칭함과 아울러, 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 리셋 트랜지스터를 온 상태로 함으로써 상기 반전 증폭기의 입력측 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 상기 스위치드 커패시터 증폭부가 신호 전하의 판독을 행하지 않는 기간 동안, 상기 제어부에 의해 스위칭 부를 제어해서 신호선에 접속된 전원측 부하를 일정 전위부로 스위칭함으로써, 상기 반전 증폭기의 입력측 전위를 제어하여 반전 증폭기가 동작을 제어하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 신호 전하의 판독 동작을 행하지 않는 기간 동안, 반전 증폭기가 동작하지 않도록 제어함으로써 스위치드 커패시터 증폭부로부터 신호선으로 신호가 출력되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 판독 라인(광전 변환 전송부 군)을 선택하기 위한 선택용 트랜지스터가 불필요해지고, 1화소 당 트랜지스터 수를 삭감하는 것이 가능해지며, 또한 1화소 당 트랜지스터 수를 삭감해서 화소 사이즈를 소형화할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 광전 변환 소자는 매립형의 포토다이오드인 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 매립형의 포토다이오드로부터의 신호 전하 전송을 완전하게 함으로써 저 노이즈화된 보다 고화질의 화상을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 스위치드 커패시터 증폭부는 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측에 한쪽 단자가 접속된 승압용 커패시턴스 소자를 가지고, 상기 제어부는 상기 전송 트랜지스터를 통해 상기 광전 변환 소자로부터 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 신호 전하 축적부로 신호 전하를 전송할 때, 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측 전위가 깊어지도록 상기 승압용 커패시턴스 소자의 다른쪽 단자의 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 전송 트랜지스터를 통해 광전 변환 소자로부터 신호 전하 축적부로 전하를 전송할 때, 제어부에 의해 승압용 커패시턴스 소자의 다른쪽 단자 전위를 제어해서 반전 증폭기의 입력측의 신호 전하 축적부의 포텐셜을 승압용 커패시턴스 소자를 사용하지 않을 때 보다도 깊게 하여 신호 전하의 전송을 용이하게 한다. 이것에 의해, 특히 광전 변환 소자가 매립형의 포토다이오드의 경우 포토다이오드로부터 신호 전하 축적부로의 전하 전송을 완전하게 하는 것이 가능해지고, 판독 노이즈를 대폭 저감할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 반전 증폭기를 구성하는 상기 전원측 부하는 정전류 부하 트랜지스터 또는 저항인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 전송 트랜지스터는 디플리션 타입 트랜지스터이며, 오프 상태의 상기 전송 트랜지스터의 게이트 하의 포텐셜이 상기 일정 전위부의 전위보다도 얕은 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 상기 전송 트랜지스터에 디플리션 타입 트랜지스터를 사용함으로써 상기 광전 변환 소자로부터 상기 전송 트랜지스터, 상기 신호 전하 축적부, 상기 리셋 트랜지스터를 경유해서 신호선으로의 과잉 신호 전하의 방출 경로가 형성된다. 고 휘도(輝度)의 피사체의 촬상시에도 주변 화소로의 신호 전하의 오버플로우(overflow), 블루밍(blooming) 현상이 발생하지 않고, 고화질의 화상을 얻을 수 있다. 또한, 오프 상태의 전송 트랜지스터의 게이트 하의 포텐셜을 일정 전위부의 전위 보다도 얕게 함으로써, 상기 제어부에 의해 신호선에 접속된 전원측 부하를 일정 전위부로 스위칭해서 리셋 트랜지스터를 온 상태로 했을 경우 일정 전위부의 전위가 된 반전 증폭기의 입력측으로부터 즉, 상기 신호 전하 축적부로부터 상기 광전 변환 소자로 전하가 주입되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 제어부는 신호 전하의 판독 동작을 행하지 않는 기간 동안, 상기 스위칭부를 제어해서 상기 신호선에 접속된 상기 전원측 부하를 상기 일정 전위부로 스위칭하고 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 리셋 트랜지스터를 온 상태로 함으로써, 상기 반전 증폭기의 입력측 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 상기 스위치드 커패시터 증폭부가 신호 전하의 판독을 행하지 않는 기간 동안, 상기 제어부에 의해 스위칭부를 제어해서 신호선에 접속된 전원측 부하를 일정 전위부로 스위칭함으로써, 상기 반전 증폭기의 입력측 전위를 제어하여 반전 증폭기가 동작을 제어하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 신호 전하의 판독 동작을 행하지 않는 기간 동안, 반전 증폭기가 동작되지 않도록 제어함으로써 스위치드 커패시터 증폭부로부터 신호선으로 신호가 출력되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 판독 라인(광전 변환 전송부 군)을 선택하기 위한 선택용 트랜지스터가 불필요해지고, 1화소 당 트랜지스터 수를 삭감하는 것이 가능해지며, 또한 1화소 당 트랜지스터 수를 삭감해서 화소 사이즈를 소형화할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 광전 변환 소자는 매립형의 포토다이오드인 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 매립형의 포토다이오드로부터의 신호 전하 전송을 완전하게 함으로써 저 노이즈화된 보다 고화질의 화상을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 스위치드 커패시터 증폭부는 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측에 한쪽 단자가 접속된 승압용 커패시턴스 소자를 가지고, 상기 제어부는 상기 광전 변환 소자로부터 상기 전송 트랜지스터를 통해 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 신호 전하 축적부로 신호 전하를 전송할 때, 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측의 전위가 깊어지도록 상기 승압용 커패시턴스 소자의 다른쪽 단자의 전위를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 전송 트랜지스터를 통해 광전 변환 소자로부터 신호 전하 축적부로 전하를 전송할 때, 제어부에 의해 승압용 커패시턴스 소자의 다른쪽 단자 전위를 제어해서 반전 증폭기의 입력측의 신호 전하 축적부의 포텐셜을 승압용 커패시턴스 소자를 사용하지 않을 때 보다도 깊게 함으로써 신호 전하의 전송을 용이하게 한다. 이것에 의해, 특히 광전 변환 소자가 매립형의 포토다이오드의 경우 포토다이오드로부터 신호 전하 축적부로의 전하 전송을 완전하게 하는 것이 가능해지고, 판독 노이즈를 대폭 저감하는 것이 가능해진다.
이상에서 분명하게 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 복수의 화소에 공통의 스위치드 커패시터 증폭부를 사용함으로써 전 하 전압 변환 효율을 저하시키는 일 없이 1화소 당 트랜지스터 수를 대폭 삭감하는 것이 가능해지고, 화소 사이즈의 축소화에 매우 유리해진다.
특히, 반전 증폭기를 공통의 신호선을 통해 구동측(스위치드 커패시터 증폭부의 증폭 트랜지스터)과 전원측 부하로 나누고, 또한 상기 제어부에 의해 스위치드 커패시터 증폭부의 리셋 트랜지스터와 스위칭부를 제어해서 반전 증폭기의 입력측 전위를 제어함으로써, 더 많은 트랜지스터 수의 삭감과 증폭률의 대폭적인 증대가 가능해진다. 이것에 의해, 화소 사이즈의 축소화 및 전하 전압 변환 게인의 증대가 더욱 더 유리해진다.
또한, 포토다이오드를 매립형으로 함으로써 포토다이오드로부터의 신호 전하 전송을 높이는 동작이 가능해지고, 완전 전하 전송화에 의해 지극히 저 노이즈의 화상을 얻는 것이 가능해진다.
이상으로부터, 소형·고성능 이미지 센서의 형성에 본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치는 매우 유용하게 된다.
본 발명은 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 의해 충분히 이해될 수 있을 것이다. 첨부 도면은 설명을 위한 것일 뿐이므로 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치를 도시의 실시형태에 의해 상세하게 설명한다.
(제 1 실시형태)
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치의 일례로서의 2차원 증폭형 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다. 이 2차원 증폭형 고체 촬상 장치는 복수의 화소를 행렬(matrix) 형상으로 2차원 배열하고 있다.
여기에서, 10은 모든 화소에 존재하는 광전 변환 전송부, 20은 종방향으로 k개의 광전 변환 전송부(10)에 의해 공유하는 스위치드 커패시터 증폭부, 11은 i열에 존재하는 모든 스위치드 커패시터 증폭부(20)가 공유하는 정전류 부하 트랜지스터(4)인 전원측 부하, 12는 정전류 부하 트랜지스터(4)로 구성되는 전원측 부하(11)를 일정 전위부(13)(접지 전위)로 스위칭하기 위한 스위칭부의 일례로서의 스위치 회로이다. 25는 제어부의 일례로서의 수직 주사 회로이다. 상기 정전류 부하 트랜지스터(4)의 베이스에 바이어스 신호(Bias_p)가 인가되어 정전류 부하 트랜지스터(4)를 통해 수직 신호선(9)으로 전원 전위(VDD)가 인가된다.
도 1에서는, 복수행, 복수열의 광전 변환 전송부(10) 중 i열째만을 도시하고 있고, 각 열에 있어서 광전 변환 전송부 군으로서의 k개의 광전 변환 전송부(10) 마다 스위치드 커패시터 증폭부(20)를 접속하고 있다. 단, k, i는 2이상의 정수이다.
상기 광전 변환 전송부(10)는 광전 변환 소자의 일례로서의 포토다이오드(1)와 전송 트랜지스터(2)로 이루어진다.
또한, 상기 스위치드 커패시터 증폭부(20)는 광전 변환 전송부 군으로서의 k개의 광전 변환 전송부(10)의 각 전송 트랜지스터(2)의 출력측이 접속된 신호 전하 축적부(8)와, 상기 신호 전하 축적부(8)에 입력측이 접속되고 출력측으로부터 수직 신호선(9)에 접속된 증폭 트랜지스터(3)와, 상기 증폭 트랜지스터(3)의 입출력 사이에 삽입된 리셋 트랜지스터(5) 및 커패시턴스 소자의 일례로서의 커패시터(6)로 이루어진다. 상기 증폭 트랜지스터(3)는 정전류 부하 트랜지스터(4)와 함께 정전류 부하형의 소스 접지 반전 증폭기를 구성한다. 이 반전 증폭기의 입력측의 k개의 광전 변환 전송부(10)에 공통의 신호 전하 축적부(8)의 전위를 승압하기 위한 승압용 커패시턴스 소자의 일례로서의 승압용 커패시터(7)의 일단을 신호 전하 축적부(8)에 접속하고 있다. 여기에서, 신호 전하 축적부(8)의 용량을 CFD, 커패시터(6)의 용량을 Cin, 전위를 끌어 올리기 위한 승압용 커패시터(7)의 용량을 Cup으로 나타낸다.
또한, 수직 신호선(9)의 전위를 제어하는 스위치 회로(12)는 전원측 부하(11)와 일정 전위부(13)(접지 전위)를 스위칭하기 위해, 공통의 구동 펄스(φS)에 의해 제어되는 상호 역상(逆相)의 스위칭용 트랜지스터로 이루어진다. 즉, 스위치 회로(12)는 구동 펄스(φS)가 로 레벨에서 온 되어 정전류 부하 트랜지스터(4)를 수직 신호선(9)에 접속하는 트랜지스터(12a)와, 구동 펄스(φS)가 하이 레벨에서 온 되어 일정 전위부(13)를 수직 신호선(9)에 접속하는 트랜지스터(12b)를 갖고 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제어부(25)에 전송 트랜지스터 구동 신호선(21)과, 리셋 트랜지스터 구동 신호선(22)과, 전환 신호선(23)과, 전위 제어선(24)의 각각의 일단을 접속하고 있다. 상기 전송 트랜지스터 구동 신호선(21)을 행(行)방향으로 배열된 각 광전 변환 전송부(10)의 전송 트랜지스터(2)의 게이트에 접속하고 있다. 또한, 상기 리셋 트랜지스터 구동 신호선(22)을 스위치드 커패시터 증폭부(20)의 리셋 트랜지스터(5)의 게이트에 접속하고 있다. 또한, 상기 전환 신호 선(23)을 스위치 회로(12)에 접속함과 아울러, 전위 제어선(24)을 승압용 커패시터(7)의 타단에 접속하고 있다.
또한, 도 1에 있어서 n번째의 스위치드 커패시터 증폭부(20)에 접속된 1행째의 화소를 (n, 1), 2행째의 화소를 (n, 2), k행째의 화소를 (n, k)로 나타낸다. 따라서, 2차원 증폭형 고체 촬상 장치가 수직 방향으로 p개의 스위치드 커패시터 증폭부(20)로 이루어질 경우, 수직 방향으로 전부 k×p개의 화소로 이루어진다. (n, 1)화소, (n, 2)화소, …, (n, k)화소의 전송 트랜지스터(2)의 게이트에는 각각 구동 펄스[φT(n, 1), φT(n, 2), …, φT(n, k)]가 인가된다.
또한, n번째의 스위치드 커패시터 증폭부(20)에는 리셋 트랜지스터(5)의 게이트에 리셋 트랜지스터 구동 신호선(22)을 통해 구동 펄스[φR(n)]가 인가되고, 신호 전하 축적부(8)의 전위를 용량값(Cup)에 의해 끌어 올리기 위한 제어 펄스[φC(n)]가 전위 제어선(24)을 통해 인가된다.
또한, 수직 신호선(9)을 전원측 부하(11)와 일정 전위를 스위칭하기 위해서, 스위치 회로(12)의 상호 역상의 트랜지스터를 제어하는 구동 펄스(φS)가 스위칭 신호선(23)을 통해 인가된다.
또한, 정전류 부하 트랜지스터(4)는 트랜지스터가 아니더라도 확산층 등으로 구성되는 고 저항이라도 그 목적은 달성될 수 있다. 또한, 이 제 1 실시형태는 정전류 부하형 소스 접지 반전 증폭기를 사용한 2차원 증폭형 고체 촬상 장치에 대해서 설명하고 있지만, 트랜지스터 부하형 소스 접지 반전 증폭기나 캐스코드형 소스 접지 반전 증폭기에서도 그 목적은 달성될 수 있다.
도 2a, 도 2b에서, 도 1에 도시한 2차원 증폭형 고체 촬상 장치의 동작을 설명한다.
도 2a는 신호 전하를 판독하는 라인(신호 전하 축적부 군)의 동작이며, 기간(T1)에서는 n행째의 스위치드 커패시터 증폭부(20)의 리셋 트랜지스터(5)의 게이트에 인가되는 구동 펄스[φR(n)]가 하이레벨이기 때문에 리셋 트랜지스터(5)가 온 상태이고, 또한 스위치 회로(12)에 입력되는 구동 펄스(φS)가 로 레벨이기 때문에 수직 신호선(9)은 정전류 부하 트랜지스터(4)에 접속됨으로써 증폭 트랜지스터(3)와 정전류 부하 트랜지스터(4)로 구성되는 반전 증폭기의 입출력 사이가 단락되고, 신호 전하 축적부(8) 및 수직 신호선(9)의 전위(Vsig)(i)가 일정 전위(VM)로 리셋팅된다.
이것은 이하의 이유에 의한다. 도 3에서 반전 증폭기의 회로도를 도시하고, 도 4에서 그 특성을 도시한다. 지금, 이 반전 증폭기의 입출력 사이을 단락하면 도 4에서 반전 증폭기의 특성과 Vout = Vin 되는 직선의 교점이 일정 전위(VM)가 되고, 이 전압으로 리셋팅되는 것이다.
이어서, 도 2a에 도시한 기간(T2)에서는 구동 펄스[φR(n)]가 로 레벨이 되고, 리셋 트랜지스터(5)는 오프 상태가 된다. 이 때에 얻어지는 수직 신호선 전위가 이 화소의 기준 전위이다.
다음의 기간(T3)은 화소의 포토다이오드(1)에 의해 광전 변환된 신호 전하를 신호 전하 축적부(8)에 판독하는 기간이다.
구동 펄스[φT(n, 1)]를 하이레벨로 함으로써 (n, 1)행째의 전송 트랜지스 터(2)에 의해 (n, 1)행째의 포토다이오드(1)에 축적된 신호 전하가 신호 전하 축적부(8)로 판독된다. 또한 이 때, 제어 펄스[φC(n)]를 하이레벨로 함으로써 승압용 커패시터(7)의 용량(Cup)에 의해 결합된 신호 전하 축적부(8)의 전위가 올라가고, 포토다이오드(1)로부터 신호 전하 축적부(8)로의 전하 전송이 촉진되어, 완전 전하 전송화가 가능해진다.
다음 기간(T4)에서는, 구동 펄스[φT(n, 1)]와 제어 펄스[φC(n)]가 로 레벨이 되고, 따라서 신호 전하 축적부(8)에서는 기간(T2)에서의 전위로부터 신호 전하 전송에 의한 변화 만큼만 시프트된 전위가 유지되어, 그 유지된 신호 레벨이 반전 증폭기에 의해 증폭되어 수직 신호선(9)으로 출력된다. 이 때에 얻어지는 수직 신호선 전위가 이 화소의 신호가 된다.
다음 기간(T5)에서는, 구동 펄스[φR(n)]를 로 레벨로부터 하이레벨로 변화시키고, 리셋 트랜지스터(5)에 의해 수직 신호선(9)과 신호 전하 축적부(8)를 단락시킨다. 또한, 스위치 회로(12)의 구동 펄스(φS)를 하이레벨로 함으로써 스위치 회로(12)의 트랜지스터(12a)를 오프하고 트랜지스터(12b)를 온 하여, 수직 신호선(9)의 전위를 접지 전위로 한다. 이것에 의해, 신호 전하 축적부(8)의 전위는 접지 전위로 유지된다.
이상의 동작에 의해, 수직 신호선(9)에 있어서 기간(T2)과 기간(T4)의 차이 신호를 후단의 CDS(상관 2중 샘플링)회로나 차동 증폭 회로 또는 클램프 회로(본 명세서에서는 특별히 기재되지 않음)로 취하면, (n, 1)행째의 화소로 입사한 빛에 의해 발생한 전하에 의한 실효적인 신호가 판독된다.
상기 동작 설명은 (n, 1)행째의 화소의 경우이지만, (n, 2)로부터 (n, k)행째의 화소에 있어서의 동작도 완전히 동일하며, 전송 트랜지스터(2)를 온 시키기 위한 구동 펄스를 φT(n, 2)로부터 φT(n, k)로 선택하는 차이뿐이다. 도 2a에서는 (n, 2)행째 화소의 경우의 타이밍도 기재되어 있다.
여기에서, 포토다이오드(1)로부터 전송된 전하량(△Qsig), 반전 증폭기의 게인(A)으로 하면, 판독되는 실효적인 신호는
△Vsig = A·△Qsig/[CFD + Cup + (1+A)Cin] ……… (식1)
이 된다. 여기에서, 반전 증폭 앰프의 게인(A)은
Figure 112006027590812-pat00001
이며, (식 2)에 있어서 gm은 증폭 트랜지스터(3)의 트랜스컨덕턴스, ron은 증폭 트랜지스터(3)의 출력 저항, rop는 정전류 부하 트랜지스터(4)의 출력 저항이다.
또한, 반전 증폭기의 게인(A)이 대단히 클 경우
△Vsig ≒ △Qsig/Cin ……… (식 3)
이 되고, 결국, 전하 전압 변환 효율(η)은
η = △Vsig/△Qsig = 1/Cin ……… (식4)
이 된다. 즉, 출력되는 신호가 신호 전하 축적부(8)의 용량(CFD)에 의존하지 않는 것이 도시되고 종방향으로 접속하는 화소수가 증가하여, 용량(CFD)이 크게 되더라고 본 발명에 의하면 전하 전압 변환 효율(η)의 저하가 발생하지 않는다.
한편, 신호 전하의 판독을 행하지 않는 라인(신호 전하 축적부 군)의 동작을 도 2b에서 도시한다. 신호 전하의 판독 라인(신호 전하 축적부 군)의 동작과 마찬가지로, 시간(T5)에 의해 신호 전하 축적부(n')(8)의 전위는 접지 전위로 유지되어 있다. 시간(T1)으로부터 (T4)에서는, 리셋 트랜지스터(5)의 게이트에 인가되는 구동 펄스[φR(n')]를 로 레벨인 상태로 해서 수직 신호선(9)과 신호 전하 축적부(8)를 차단하고, 수직 신호선(9)의 전위가 변화하더라도 신호 전하 축적부(n')(8)를 접지 전위인 상태로 유지시킨다.
그렇게 하면, 기간(T4)에 있어서 신호 전하 축적부(n')(8)의 전위는 커패시터(6)의 용량 결합에 의해 수직 신호선(9)의 전위 변화의 영향을 받지만, 최대로 △Vfd이다. 여기에서, △Vfd는
△Vfd = VDD·Cin/(CFD + Cup) ……… (식 5)
따라서, △Vfd가 증폭 트랜지스터(3)의 역치 전압 이하로 설계하면, 신호 전하의 판독을 행하지 않는 라인(신호 전하 축적부 군)의 트랜지스터가 반전 증폭기로서 동작하는 일은 없다.
상기 구성의 2차원 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 상기 광전 변환 전송부 군의 각각의 복수의 화소에 대해서 공통의 증폭 회로[신호 전하를 전압으로 변환해서 증폭하는 스위치드 커패시터 증폭부(20)]를 구비함으로써, 1화소 당 트랜지스터 수를 삭감하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 증폭 회로를 스위치드 커패시터 타입으로 함으로써, 신호 전하 축적부(8)의 용량을 실효적으로 저감하는 것이 가능해지고, 전하 전압 변환 게인을 높일 수 있다. 따라서, 간단한 구성으로 노이즈가 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있음과 아울러, 1화소 당 트랜지스터 수를 대폭 삭감해서 화소 사이즈를 소형화할 수 있다.
또한, 상기 화소의 광전 변환 소자에 매립형의 포토다이오드를 사용함으로써, 포토다이오드(1)로부터의 신호 전하 전송을 완전화할 수 있고, 저 노이즈화된 보다 고화질의 화상을 얻을 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드(1)로부터 전송 트랜지스터(2)를 통해 신호 전하 축적부(8)로 전하를 전송할 때, 수직 주사 회로(25)에 의해 승압용 커패시터(7)의 다른쪽 단자 전위를 제어해서 반전 증폭기의 입력측의 신호 전하 축적부(8)의 포텐셜을 깊게 하여 신호 전하의 전송을 용이하게 하고, 매립형의 포토다이오드로부터 신호 전하 축적부로의 전하 전송을 완전하게 하는 것이 가능해지며, 판독 노이즈를 대폭 저감할 수 있다.
또한, 상기 스위치드 커패시터 증폭부(20)가 신호 전하의 판독을 행하지 않는 기간은 스위치 회로(12)를 스위칭해서 수직 신호선(9)에 스위치 회로(12)를 통해 일정 전위부(13)(접지 전위)를 접속하고, 또한 리셋 트랜지스터(5)를 온 해서 수직 신호선(9)과 신호 전하 축적부(8)를 단락시킨다. 그렇게 함으로써, 신호 전하 축적부(8)의 전위를 접지 전위로 해서 반전 증폭기가 동작하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 판독 라인(신호 전하 축적부 군)을 선택하기 위한 선택용 트랜지스터가 불필요해지며, 1화소 당 트랜지스터 수를 더욱 삭감하는 것이 가능해진다.
(제 2 실시형태)
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치의 일례로서의 2차 원 증폭형 고체 촬상 장치의 구성을 도시하는 회로도이다. 상기 제 2 실시형태의 2차원 증폭형 고체 촬상 장치는 전송 트랜지스터(2)가 디플리션 타입인 것과, 수직 신호선(9)에 스위치 회로(12)를 통해 인가되는 일정 전위는 접지 전위가 아닌 일정 전위(VL)인 것 이외는 제 1 실시형태와 동일한 구성을 하고 있고, 동일 참조번호를 붙여서 설명을 생략한다.
일반적으로, 고 휘도의 피사체를 촬상시, 과대한 신호 전하가 블루밍에 의해 주변의 포토다이오드로 오버플로우될 경우가 있다. 이 대책으로서, 전송 트랜지스터(2)를 인핸스먼트(enhancement) 타입에서 디플리션 타입으로 변경하고, 과잉 신호 전하를 포토다이오드(1)로부터 전송 트랜지스터(2)를 통해 신호 전하 축적부(8)로 드레인 경로를 설치하고 있다.
도 6a에 이 제 2 실시형태의 구동 펄스의 타이밍 차트를 도시한다. 기간(T1)에서 (T4)까지는 제 1 실시형태와 완전히 동일하다.
그리고, 다음 기간(T5)에서 구동 펄스[φR(n)]를 로 레벨로부터 하이레벨로 변화시켜서 리셋 트랜지스터(5)에 의해 수직 신호선(9)과 신호 전하 축적부(8)를 단락시키고, 또한 스위치 회로(12)의 구동 펄스(φS)를 하이레벨로 함으로써 수직 신호선(9)의 전위를 일정 전위(VL)로 한다. 이것에 의해, T5의 기간은 신호 전하 축적부(8)의 전위가 일정 전위(VL)로 유지된다.
여기에서, 일정 전위부(13)가 제 1 실시형태에서의 접지 전위가 아닌 이유는 전송 트랜지스터(2)가 디플리션 타입의 트랜지스터이기 때문에, 일정 전위부(13)를 접지 전위로 했을 경우 신호 전하 축적부(8)로부터 포토다이오드(1)로 전하의 주입 이 일어나기 때문이다. 따라서, 일정 전위(VL)는
VL > VφT ………… (식 6)
인 것이 필요하다. 여기에서, VφT는 전송 트랜지스터(2)의 게이트 전압이 로 레벨 시의 게이트 하의 포텐셜을 나타낸다.
기간(T5)이 대부분의 기간이며, 이 사이에 고 휘도한 피사체를 촬상할 때, 포토다이오드(1)로부터 전송 트랜지스터(2)를 경유하여 신호 전하 축적부(8)에 인가된 일정 전위(VL)로 과잉 신호 전하의 드레인 경로를 설치한 블루밍 억압 동작이 가능해진다.
한편, 신호 전하의 판독을 행하지 않는 라인(신호 전하 축적부 군)의 동작을 도 6b에 도시한다. 신호 전하의 판독 라인(신호 전하 축적부 군)의 동작과 마찬가지로, 시간(T5)에 의해 신호 전하 축적부(n')(8)의 전위는 일정 전위(VL)로 유지되어 있다. 시간(T1)으로부터 (T4)에서는, 리셋 트랜지스터(5)의 게이트에 인가되는 구동 펄스[φR(n')]를 로 레벨로 해서 수직 신호선(9)과 신호 전하 축적부(8)를 차단하고, 신호 전하 축적부(n')(8)를 일정 전위(VL)인 상태로 유지한다.
그렇게 해서, 기간(T4)에 있어서 신호 전하 축적부(8)의 전위는 커패시터(6)의 용량 결합에 의해 수직 신호선(9)의 전위 변화의 영향을 받지만, 최대로 △Vfd이다. 여기에서, △Vfd는 (식5)로 표현된다. 따라서, VL + △Vfd가 증폭 트랜지스터(3)의 역치 전압 이하가 되도록 설계하면, 신호 전하의 판독을 행하지 않는 라인(신호 전하 축적부 군)의 스위치드 커패시터 증폭부(20)의 반전 증폭기가 동작하는 일은 없다.
이상의 동작에 의해, 수직 신호선(9)에 있어서 기간(T2)과 기간(T4)의 차이 신호를 후단의 CDS(상관 2중 샘플링)회로나 차동 증폭 회로 또는 클램프 회로(본 명세서에서는 특히, 기재되지 않음)로 취하면, (n, 1)행째의 화소에 입사한 빛에 의해 발생한 전하에 의한 실효적인 신호가 판독되는 것은 제 1 실시형태와 완전히 동일하다.
또한, 상기 동작 설명은 (n, 1)행째 화소의 경우이지만, (n, 2)으로부터 (n, k)행째의 화소에 있어서의 동작도 완전히 동일하고, 전송 트랜지스터(2)를 온 시키기 위한 구동 펄스를 φT(n, 2)에서 φT(n,k)로 선택하는 차이뿐인 것도 제 1 실시형태와 완전히 동일하다.
또한, 이것에 의해 종래의 화소 구조에서는 필요했던 선택 트랜지스터가 역시 불필요해지고, 단위 화소 면적에 차지하는 포토다이오드(1)의 면적을 크게 할 수 있어 고화질의 화상을 얻을 수 있으며, 또한 화소 사이즈를 소형화할 수 있다. 또한, 출력되는 신호가 신호 전하 축적부(8)의 용량(CFD)에 의존하지 않고, 종방향으로 접속하는 화소수가 증가하여 용량(CFD)이 커지게 되더라도 본 발명에 의하면 전하 전압 변환 효율(η)의 저하가 발생하지 않는 것은 이 제 2 실시형태에서도 자명하다.
상기 제 1, 제 2 실시형태에서는 증폭형 고체 촬상 장치의 일례로서의 화소가 2차원 배열된 2차원 증폭형 고체 촬상 장치에 대해서 설명했지만, 화소가 1차원 배열된 증폭형 고체 촬상 장치에 본 발명을 적용해도 좋다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 이것은 여러가지로 변경되어도 좋 다는 것은 명백하다. 그러한 변경은 본 발명의 정신과 범위로부터의 일탈로서 간주되어야 하는 것이 아니라, 당업자에 있어서 자명한 변경은 전부, 다음에 계속되는 클레임의 범위 안에 포함되는 것이다.
본 발명에 의하면, 고화질의 화상을 얻을 수 있고 또한 화소 사이즈를 감소시킬 수 있는 증폭형 고체 촬상 장치를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 광전 변환 소자와 상기 광전 변환 소자의 신호 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 갖는 광전 변환 전송부가 화소마다 설치된 증폭형 고체 촬상 장치로서:
    상기 화소마다 설치된 복수의 광전 변환 전송부가 소정 수의 광전 변환 전송부 군으로 그룹화되고;
    상기 광전 변환 전송부 군에 각각 설치되고 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측에 접속된 입력측과 신호선에 접속된 출력측을 가지는 스위치드 커패시터 증폭부와,
    상기 신호선을 통해 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 출력측과 접속된 전원측 부하와,
    상기 신호선에 접속된 상기 전원측 부하를 일정 전위부로 스위칭하기 위한 스위칭부와,
    상기 전송 트랜지스터와 상기 스위치드 커패시터 증폭부 및 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 구비하고;
    상기 스위치드 커패시터 증폭부는 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측에 접속된 신호 전하 축적부와, 상기 신호 전하 축적부에 접속된 입력측과 상기 신호선에 접속된 출력측을 갖는 증폭 트랜지스터와, 상기 증폭 트랜지스터의 입출력 사이에 접속된 커패시턴스 소자와, 상기 증폭 트랜지스터의 입출력 사이에 접속된 리셋 트랜지스터를 가지며;
    상기 제어부에 의해 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 리셋 트랜지스터와 상기 스위칭부를 제어함으로써 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 증폭 트랜지스터와 상기 전원측 부하로 구성된 반전 증폭기의 입력측 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 신호 전하의 판독 동작을 행하지 않는 기간 동안 상기 스위칭부를 제어해서 상기 신호선에 접속된 상기 전원측 부하를 상기 일정 전위부로 스위칭함과 아울러 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 리셋 트랜지스터를 온 상태로 함으로써 상기 반전 증폭기의 입력측 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자는 매립형의 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치드 커패시터 증폭부는 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측에 한쪽 단자가 접속된 승압용 커패시턴스 소자를 가지고,
    상기 제어부는 상기 전송 트랜지스터를 통해 상기 광전 변환 소자로부터 상 기 스위치드 커패시터 증폭부의 신호 전하 축적부로 신호 전하를 전송할 때 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측 전위가 깊어지도록 상기 승압용 커패시턴스 소자의 다른쪽 단자의 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반전 증폭기를 구성하는 상기 전원측 부하는 정전류 부하 트랜지스터 또는 저항인 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송 트랜지스터는 디플리션 타입의 트랜지스터이며,
    오프 상태의 상기 전송 트랜지스터의 게이트 하의 포텐셜은 상기 일정 전위부의 전위 보다도 얕은 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 신호 전하의 판독 동작을 행하지 않는 기간 동안 상기 스위칭부를 제어해서 상기 신호선에 접속된 상기 전원측 부하를 상기 일정 전위부로 스위칭함과 아울러 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 리셋 트랜지스터를 온 상태로 함으로써 상기 반전 증폭기의 입력측 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자는 매립형의 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 스위치드 커패시터 증폭부는 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측에 한쪽 단자가 접속된 승압용 커패시턴스 소자를 가지고,
    상기 제어부는 상기 전송 트랜지스터를 통해 상기 광전 변환 소자로부터 상기 스위치드 커패시터 증폭부의 신호 전하 축적부로 신호 전하를 전송할 때 상기 광전 변환 전송부 군의 각 전송 트랜지스터의 출력측 전위가 깊어지도록 상기 승압용 커패시턴스 소자의 다른쪽 단자의 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
KR1020060035761A 2005-04-20 2006-04-20 증폭형 고체 촬상 장치 KR100702910B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2005-00122202 2005-04-20
JP2005122202A JP4340640B2 (ja) 2005-04-20 2005-04-20 増幅型固体撮像装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060110826A KR20060110826A (ko) 2006-10-25
KR100702910B1 true KR100702910B1 (ko) 2007-04-09

Family

ID=36615603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060035761A KR100702910B1 (ko) 2005-04-20 2006-04-20 증폭형 고체 촬상 장치

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7573016B2 (ko)
EP (1) EP1715675A3 (ko)
JP (1) JP4340640B2 (ko)
KR (1) KR100702910B1 (ko)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008136047A (ja) * 2006-11-29 2008-06-12 Sony Corp 固体撮像装置及び撮像装置
JP4058459B1 (ja) * 2007-03-02 2008-03-12 キヤノン株式会社 撮像装置及び撮像システム
US8203111B2 (en) * 2009-03-23 2012-06-19 Tower Semiconductor Ltd. CMOS image sensor pixel with an NMOS charge amplifier
US8217328B2 (en) * 2009-05-05 2012-07-10 Himax Imaging, Inc. Low noise pixel readout circuit with high conversion gain
TWI398164B (zh) * 2009-05-07 2013-06-01 Himax Imagimg Inc 影像感測器及具高轉換增益之低雜訊像素讀出電路
EP2290403A1 (en) * 2009-08-28 2011-03-02 Paul Scherrer Institut X-ray detector with integrating readout chip for single photon resolution
TWI482488B (zh) * 2010-04-12 2015-04-21 Univ Nat Cheng Kung 分散式濾波感測結構及光學裝置
TWI408618B (zh) * 2010-05-27 2013-09-11 Univ Nat Taiwan 具有可設定化濾波模組之繪圖處理器及其運算方法
US8921757B2 (en) * 2012-04-25 2014-12-30 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Anti-blooming circuit for integrating photodiode pre-amplifiers
US9106851B2 (en) * 2013-03-12 2015-08-11 Tower Semiconductor Ltd. Single-exposure high dynamic range CMOS image sensor pixel with internal charge amplifier
US9729808B2 (en) 2013-03-12 2017-08-08 Tower Semiconductor Ltd. Single-exposure high dynamic range CMOS image sensor pixel with internal charge amplifier
JP2015188263A (ja) * 2015-07-09 2015-10-29 株式会社半導体エネルギー研究所 半導体装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990045166A (ko) * 1997-11-11 1999-06-25 가네꼬 히사시 고출력 ｃｍｏｓ계 이미지 센서
KR20020057251A (ko) * 2000-12-30 2002-07-11 박종섭 씨모스 이미지 센서
KR20050020904A (ko) * 2003-08-23 2005-03-04 삼성전자주식회사 씨모스 이미지 센서 및 이미지 센싱 방법
KR20050123399A (ko) * 2004-06-25 2005-12-29 삼성전자주식회사 풀 액티브 바이폴라 이미지 센서

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2977060B2 (ja) * 1992-01-29 1999-11-10 オリンパス光学工業株式会社 固体撮像装置及びその制御方法
JP2884205B2 (ja) * 1992-01-29 1999-04-19 オリンパス光学工業株式会社 固体撮像装置
JP3031606B2 (ja) 1995-08-02 2000-04-10 キヤノン株式会社 固体撮像装置と画像撮像装置
JP3838665B2 (ja) 1995-08-11 2006-10-25 株式会社 東芝 Ｍｏｓ型固体撮像装置
JP3466886B2 (ja) 1997-10-06 2003-11-17 キヤノン株式会社 固体撮像装置
JP3658278B2 (ja) * 2000-05-16 2005-06-08 キヤノン株式会社 固体撮像装置およびそれを用いた固体撮像システム
JP4297416B2 (ja) 2003-06-10 2009-07-15 シャープ株式会社 固体撮像素子、その駆動方法およびカメラ
US7075049B2 (en) * 2003-06-11 2006-07-11 Micron Technology, Inc. Dual conversion gain imagers
JP4340660B2 (ja) * 2005-04-14 2009-10-07 シャープ株式会社 増幅型固体撮像装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990045166A (ko) * 1997-11-11 1999-06-25 가네꼬 히사시 고출력 ｃｍｏｓ계 이미지 센서
KR20020057251A (ko) * 2000-12-30 2002-07-11 박종섭 씨모스 이미지 센서
KR20050020904A (ko) * 2003-08-23 2005-03-04 삼성전자주식회사 씨모스 이미지 센서 및 이미지 센싱 방법
KR20050123399A (ko) * 2004-06-25 2005-12-29 삼성전자주식회사 풀 액티브 바이폴라 이미지 센서

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1019990045166
1020020057251
1020050020904
1020050123399

Also Published As

Publication number Publication date
KR20060110826A (ko) 2006-10-25
US20060237631A1 (en) 2006-10-26
JP2006303871A (ja) 2006-11-02
US7573016B2 (en) 2009-08-11
EP1715675A3 (en) 2009-07-22
EP1715675A2 (en) 2006-10-25
JP4340640B2 (ja) 2009-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100702910B1 (ko) 증폭형 고체 촬상 장치
KR100712950B1 (ko) 증폭형 고체 촬상 장치
KR100695705B1 (ko) 증폭형 고체 촬상 장치 및 그 구동 방법
JP4242427B2 (ja) 増幅型固体撮像装置
JP4340660B2 (ja) 増幅型固体撮像装置
US7692702B2 (en) Solid-state imaging device with amplifiers corresponding to signal lines and alternating control voltage
JP4828914B2 (ja) 固体撮像装置およびその駆動方法
JPH11355668A (ja) 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
EP2448254B1 (en) Solid-state image pickup device
JP4071190B2 (ja) 増幅型固体撮像装置およびその駆動方法
JP4666383B2 (ja) 増幅型固体撮像装置および電子情報機器
JP2006217338A (ja) 増幅型固体撮像装置
JP2007096791A (ja) 増幅型固体撮像装置
JP4453306B2 (ja) 固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法
JP2005347920A (ja) 増幅型固体撮像装置およびその駆動方法
JP2009010862A (ja) 撮像装置の駆動方法
JP2005027013A (ja) 増幅型固体撮像装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130304

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140228

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee