KR101945052B1 - 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 구동 방법, 및 전자 기기 - Google Patents

고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 구동 방법, 및 전자 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 고체 촬상 장치는 광의 광량에 응한 신호 전하를 생성하는 광전 변환부와, 노광 기간 중, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하 중, 상기 광전 변환부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로되는 배출부와, 노광 기간 종료 후, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전송되는 제1 전하 축적부와, 상기 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 전송되는 제2 전하 축적부를 포함하는 적어도 2개의 전하 축적부와, 상기 신호 전하의 전송, 판독을 하는 복수의 화소 트랜지스터를 구비하는 화소가 행렬형상으로 2차원 배치된 화소 어레이부와, 신호 전하의 축적 기간에서 축적 기간이 모든 화소가 동시가 되도록 주사하고, 판독 기간에서 상기 화소를 차례로 선택 주사하는 주사부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 구동 방법, 및 전자 기기{SOLID-STATE IMAGING DEVICE, METHOD OF DRIVING THE SAME, AND ELECTRONIC SYSTEM}
본 개시는, 고체 촬상 장치에 관한 것으로, 특히, CMOS형의 고체 촬상 장치와 그 구동 방법에 관한 것이다. 또한, 그 고체 촬상 장치를 이용한 전자 기기에 관한 것이다.
종래, 일반적인 CMOS형 고체 촬상 장치에서는, 2차원 매트릭스형상으로 배열된 각 화소의 수광부에서 생성·축적된 신호 전하를, 행마다 순차적으로 판독하는 방식이 채택되어 있다. 이 경우, 각 화소의 수광부에서의 노광의 타이밍은, 신호 전하의 판독의 시작과 종료에 의해 정해지기 때문에, 화소마다 노광의 타이밍이 다르다. 이 때문에, 이와 같은 CMOS형 고체 촬상 장치를 이용하여 빠른 움직임의 피사체를 촬상하는 경우에는, 피사체가 비뚤어지게 촬상되는 문제가 있다.
이상과 같은 문제를 해결하기 위해, 근래, 신호 전하의 축적의 동시각성을 실현하는 동시 촬상 기능(글로벌 셔터 기능)이 제안되어 있고, 또한, 글로벌 셔터 기능을 갖는 CMOS형 고체 촬상 장치의 용도도 많아져 오고 있다.
글로벌 셔터 기능을 갖는 CMOS형 고체 촬상 장치에서는, 통상, 수광부에서 생성된 신호 전하를 판독시까지 축적하여 두기 위해, 차광성을 갖는 전하 축적부를 구비할 것이 필요해진다. 이 전하 축적부로서, 통상의 CMOS형 고체 촬상 장치에서, 화소에 처음부터 구비되어 있는 플로팅 디퓨전부를 이용하는 것이 많이 있다. 또한, 일본국 특개2009-268083호 공보에서는, 전하 축적부로서, CCD형의 전하 보존 용량부와, 플로팅 디퓨전부의 2개를 이용함으로써, 포화 전자수를 많게 하는 구성이 기재되어 있다.
그런데, 일본국 특개2009-268083호 공보에 기재된 CCD형의 전하 보존 용량부는, 노광 기간 중에 포토 다이오드로부터 넘쳐진 신호 전하의 받침접시로서도 쓰여진다. 이 때문에, 전하 보존 용량부에 신호 전하를 보존하고 있고 있는 동안은, 노광할 수가 없다. 따라서, 모든 화소의 신호 전하가 판독된 후가 아니면 노광할 수가 없기 때문에, 노광할 수 없는 기간이 많고, 연속한 노광이 요구되는 매끈한 동화를 만들어지지 않거나, 동화의 감도가 떨어지거나 하는 문제가 있다.
상술의 점을 감안하여, 본 개시는, 연속한 노광이 가능한 글로벌 셔터 기능을 갖는 고체 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 그 고체 촬상 장치를 이용한 전자 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시된 고체 촬상 장치는, 광전 변환부, 배출부, 제1 전하 축적부와 제2 전하 축적부를 포함하는 적어도 2개의 전하 축적부와, 화소 트랜지스터로 이루어지는 화소가 2차원 배치된 어레이부와, 화소를 주사하는 주사부를 갖는다. 광전 변환부는, 광의 광량에 응한 신호 전하를 생성한다. 배출부는, 노광 기간 중, 광전 변환부에서 생성된 신호 전하 중, 광전 변환부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로되는 영역이다. 제1 전하 축적부에서는, 노광 기간 종료 후, 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전송된다. 제2 전하 축적부에서는, 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 전송된다. 화소 트랜지스터는, 신호 전하의 전송, 판독을 한다. 그리고, 주사부는, 신호 전하의 축적 기간에서 축적 기간이 모든 화소가 동시가 되도록 주사하고, 판독 기간에서 화소를 행마다 주사한다.
본 개시된 고체 촬상 장치에서는, 광전 변환부에서 생성, 축적된 신호 전하가 전 화소 동시에 제1 전하 축적부에 전송된 후, 화소마다 판독이 행하여진다. 이에 의해, 신호 전하의 판독 기간이 종료되기 전에, 다음의 노광 기간을 시작할 수 있다.
본 개시된 고체 촬상 장치의 구동 방법은, 상술한 본 개시된 고체 촬상 장치에서, 전 화소 동시에 광전 변환부에서의 노광을 시작하고, 신호 전하의 생성, 축적을 행하는 공정을 갖는다. 또한, 광전 변환부에 축적된 신호 전하를 전 화소 동시에 제1 전하 축적부에 전송하는 공정을 갖는다. 또한, 화소마다의 전송시에, 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과하여 제2 전하 축적부에 전송된 신호 전하를 고조도 신호로서 판독하는 공정을 갖는다. 또한, 고조도 신호를 판독한 후, 제2 전하 축적부의 전위를 리셋하고, 제1 전하 축적부에 축적된 신호 전하를 제2 전하 축적부에 전송하고, 그 제2 전하 축적부에 축적된 신호 전하를 저조도 신호로서 판독하는 공정을 갖는다.
본 개시된 고체 촬상 장치의 구동 방법에서는, 광전 변환부에서 생성, 축적된 신호 전하를 전 화소 동시에 제1 전하 축적부에 전송한 후, 화소마다 판독을 행한다. 이에 의해, 신호 전하의 판독 기간이 종료되기 전에, 다음의 노광 기간을 시작할 수 있다.
본 개시된 전자 기기는, 광전 변환부, 배출부, 제1 전하 축적부와 제2 전하 축적부를 포함하는 적어도 2개의 전하 축적부와, 화소 트랜지스터로 이루어지는 화소 어레이부와, 화소를 주사하는 주사부를 갖는 고체 촬상 장치를 구비한다. 광전 변환부는, 광의 광량에 응한 신호 전하를 생성한다. 배출부는, 노광 기간 중, 광전 변환부에서 생성된 신호 전하 중, 광전 변환부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로되는 영역이다. 제1 전하 축적부는, 노광 기간 종료 후, 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전송된다. 제2 전하 축적부는, 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 전송된다. 화소 트랜지스터는, 신호 전하의 전송, 판독을 한다. 화소 어레이부는, 화소가 행렬형상으로 2차원 배치되어 있다. 그리고, 주사부는, 신호 전하의 축적 기간에서 축적 기간이 모든 화소가 동시가 되도록 주사하고, 판독 기간에서 화소를 행마다 주사한다. 여기서는, 주사에는 행을 차례로 구동하여 가는 것에 더하여, 모든 행을 동시에 구동하는 것도 포함한다.
본 개시에 의하면, 글로벌 셔터 기능을 갖는 고체 촬상 장치에서, 판독이 종료되기 전에 노광을 시작할 수 있기 때문에, 동화의 화질의 향상이 도모된다.
도 1은 본 개시된 제1의 실시 형태에 관한 CMOS형의 고체 촬상 장치의 전체를 도시하는 개략 구성도.
도 2A 및 도 2B는 본 개시된 제1의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 화소 어레이부의 단면 구성(일부 회로도로 도시한다)과, 화소의 회로 구성을 도시하는 도면.
도 3은 본 개시된 제1의 실시 형태예에 관한 고체 촬상 장치의 촬상 방법을 도시하는 타이밍 차트.
도 4는 타이밍 차트에 대응하는 포텐셜도로서, 단위화소의 노광부터 판독까지의 전자의 이동, 및 전위의 천이를 도시하는 단면 포텐셜도(그 1).
도 5는 타이밍 차트에 대응하는 포텐셜도로서, 단위화소의 노광부터 판독까지의 전자의 이동, 및 전위의 천이를 도시하는 단면 포텐셜도(그 2).
도 6은 변형례에 관한 고체 촬상 장치의 구동 방법을 도시하는 타이밍 차트.
도 7은 본 개시된 제2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 화소 구성을 도시하는 회로도.
도 8은 본 개시된 전자 기기의 한 예로서 고체 촬상 장치를 카메라에 적용한 경우의 구성도.
도 9는 전자 기기에 조립된 제2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에서, 정지화를 촬영하는 경우의 타이밍 차트.
도 10은 전자 기기에 조립된 제2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에서, 동화를 촬영하는 경우의 타이밍 차트.
도 11A 및 도 11B는 본 개시된 제2의 실시 형태에 적용 가능한 화소 배열의 한 예와, 그 실제의 화소 배열에 대해, 공유 화소끼리에서 신호 전하를 가산한 경우의 실효적인 화소 배열을 도시하는 도면.
도 12는 3개의 화소에서 제2 전하 축적부, 및 복수의 화소 트랜지스터를 공유하는 경우에 적용 가능한 화소 배열의 예.
이하에, 본 개시된 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 구동 방법, 및 전자 기기의 한 예를, 도 1 내지 도 12를 참조하면서 설명한다. 본 개시된 실시 형태는 이하의 순서로 설명한다. 그리고, 본 개시는 이하의 예로 한정되는 것이 아니다.
1. 제1의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
1-1 고체 촬상 장치의 전체 구성
1-2 주요부의 구성
1-3 구동 방법
1-4 변형례
2. 제2의 실시 형태 : 고체 촬상 장치·전자 기기
2-1 화소의 구성
2-2 전자 기기의 구성
2-3 구동 방법 : 정지화
2-4 구동 방법 : 동화
1. 제1의 실시 형태 : 고체 촬상 장치
1-1 고체 촬상 장치의 전체 구성
우선, 본 개시된 제1의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관해 설명한다.
도 1은, 본 개시된 제1의 실시 형태에 관한 CMOS형의 고체 촬상 장치의 전체를 도시하는 개략 구성도이다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)는, 실리콘으로 이루어지는 기판(9)상에 형성된 화소 어레이부(2)와, 화소 어레이부(2)와 같은 기판(9)상에 집적된 주변 회로부를 갖는 구성으로 되어 있다. 주변 회로부는, 예를 들면 행주사부(3), 정전류원부(4), 열신호 처리부(5), 열주사부(6), 출력 처리부(7), 및 컨트롤부(8) 등으로 구성된다.
화소 어레이부(2)는, 입사광의 광량에 응한 전하량의 광전하(광신호)를 발생하여 내부에 축적하는 광전 변환 소자를 갖는 단위화소(이하, 단지 「화소」라고 기술하는 경우도 있다)가 행방향 및 열방향으로, 즉, 행렬형상으로 2차원 배치된 구성으로 되어 있다. 여기서, 행방향이란 화소행의 화소의 배열 방향(즉, 수평 방향)을 말하고, 열방향이란 화소열의 화소의 배열 방향(즉, 수직 방향)을 말한다. 단위화소의 구체적인 회로 구성의 상세에 관해서는 후술한다.
화소 어레이부(2)에서, 행렬형상의 화소 배열에 대해, 화소행마다 화소 구동선(12)이 행방향에 따라서 배선되고, 화소열마다 수직 신호선(17)이 열방향에 따라서 배선되어 있다. 화소 구동선(12)은, 화소로부터 신호를 판독할 때의 구동을 행하기 위한 구동 신호를 전송한다. 도 1에서는, 화소 구동선(12)에 관해 1개의 배선으로서 나타내고 있지만, 1개로 한정되는 것이 아니다. 화소 구동선(12)의 일단은, 행주사부(3)의 각 행에 대응하는 출력단에 접속되어 있다.
행주사부(3)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 화소 어레이부(2)의 각 화소를 전 화소 동시 또는 행 단위 등으로 구동한다. 즉, 행주사부(3)는, 당해 행주사부(3)를 제어하는 컨트롤부(8)와 함께, 화소 어레이부(2)의 각 화소를 구동하는 구동부를 구성하고 있다. 이 행주사부(3)는 그 구체적인 구성에 관해서는 도시를 생략하지만, 일반적으로, 판독 주사계와 소출(sweep) 주사계의 2개의 주사계를 갖는 구성으로 되어 있다.
판독 주사계는, 단위화소로부터 신호를 판독하기 위해, 화소 어레이부(2)의 단위화소를 행 단위로 차례로 선택 주사한다. 단위화소로부터 판독되는 신호는 아날로그 신호이다. 소출 주사계는, 판독 주사계에 의해 판독 주사가 행하여지는 판독 행에 대해, 선행하여 소출 주사를 행한다.
이 소출 주사계에 의한 소출 주사에 의해, 판독 행의 단위화소의 광전 변환 소자로부터 불필요한 전하가 소출됨에 의해 당해 광전 변환 소자가 리셋된다. 그리고, 이 소출 주사계에 의한 불필요 전하의 소출(리셋)에 의해, 이른바 전자 셔터 동작이 행하여진다. 여기서, 전자 셔터 동작이란, 광전 변환 소자의 광전하를 버리고, 새롭게 노광을 시작하는(광전하의 축적을 시작하는) 동작인 것을 말한다.
판독 주사계, 소출 주사계에 의한 화소의 주사에 관해서는 후술한다.
행주사부(3)에 의해 선택 주사된 화소행의 각 단위화소로부터 출력되는 신호는, 화소열마다 수직 신호선(17)의 각각을 통하여 정전류원부(4)를 경유하여 열신호 처리부(5)에 입력된다. 정전류원부(4)는, 화소열마다 정전류원(35)(도 2 참조)이 배치된 구성으로 되어 있고, 정전류원(35)으로부터 각 단위화소에 대해 수직 신호선(17)의 각각을 통하여 바이어스 전류를 공급한다.
열신호 처리부(5)는, 화소 어레이부(2)의 화소열마다, 선택행의 각 화소로부터 수직 신호선(17)을 통하여 출력되는 신호에 대해 소정의 신호 처리를 행한다. 이열신호 처리부(5)에서 행하여지는 신호 처리로서는, 예를 들면, CDS(Correlated Double Sampling ; 상관 이중 샘플링)에 의한 노이즈 제거 처리나, 신호 증폭 처리나, AD(아날로그-디지털) 변환 처리 등의 신호 처리를 들 수 있다.
단, 여기서 예시한 신호 처리는 한 예에 지나지 않고, 열신호 처리부(5)에서 행하여지는 신호 처리로서는 이들로 한정되는 것이 아니다. 열신호 처리부(5)는, 이들 각종의 신호 처리의 하나, 또는 복수를 실행한다.
열주사부(6)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 열신호 처리부(5)의 화소열에 대응하는 단위 회로를 순번대로 선택한다. 이 열주사부(6)에 의한 선택 주사에 의해, 열신호 처리부(5)에서 단위 회로마다 신호 처리된 신호가 순번대로 수평 신호선(10)을 통하여 출력 처리부(7)에 공급된다.
출력 처리부(7)는, 열주사부(6)에 의해 선택되고, 수평 신호선(10)을 통하여 입력되는 신호에 대해 소정의 처리를 행하여 기판(9)의 외부에 출력한다. 이 출력 처리부(7)에서의 처리로서는, 버퍼링만의 처리인 경우도 있고, 버퍼링 전에 흑레벨을 조정하거나, 화소열마다의 편차를 보정하거나 하는 등 각종의 신호 처리를 들 수 있다.
컨트롤부(8)는, 기판(9)의 외부로부터 주어지는 클록 신호나, 동작 모드를 지령하는 데이터 신호 등을 수취함과 함께, 이들의 신호를 기초로 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 생성부를 갖는다. 컨트롤부(8)에서 생성된 각종의 타이밍 신호는, 행주사부(3), 열신호 처리부(5) 및 열주사부(6) 등의 주변 회로부에 대해 주어지고, 이들 회로부의 구동 제어를 행한다.
1-2 주요부의 구성
도 2A는, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 화소 어레이부(2)의 단면 구성(일부 회로도에서 도시한다)이고, 도 2B는, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 화소의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 2A 및 도 2B에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)는, 기판(20)에 형성된 광전 변환부(이하, 포토 다이오드(PD))와, 제1 전하 축적부(24)와, 제2 전하 축적부(25)를 구비한다. 또한, 전하의 전송, 판독을 행하기 위한 전송 트랜지스터(13), 제1 리셋 트랜지스터(11), 제2 리셋 트랜지스터(14), 앰프 트랜지스터(15), 및 선택 트랜지스터(16)를 구비한다.
도 2A 및 도 2B에 도시하는 바와 같이, 기판(20)은, 제1 도전형, 예를 들면 n형 반도체 기판으로 구성되어 있고, 기판(20)의 화소가 형성되는 표면측은, 제2 도전형, 예를 들면 p형의 불순물 영역으로 이루어지는 웰 영역(21)으로 되어 있다. 이 p형의 웰 영역(21) 내에, 화소를 구성하는 포토 다이오드(PD)나, 제1 및 제2 전하 축적부(24, 25), 및 각 화소 트랜지스터를 구성하는 소스·드레인 영역이 형성된다.
포토 다이오드(PD)는, 광전 변환 소자를 구성하는 것이고, 기판(20)의 표면에 형성된 p형 반도체 영역(22)과, 그 p형 반도체 영역(22)의 하층에 형성된 n형 반도체 영역(23)으로 구성된다. 본 실시 형태예에서는, p형 반도체 영역(22)과 n형 반도체 영역(23) 사이의 pn 접합에 의해, 주된 포토 다이오드가 구성된다.
포토 다이오드(PD)에서는, 입사한 광의 광량에 응한 신호 전하가 생성되고, n형 반도체 영역(23)에 축적된다. 또한, 본 실시 형태예에서는, 포토 다이오드(PD)에서, 표면측에 정공 축적층이 되는 p형 반도체 영역(22)이 형성되어 있다. 이 때문에, 기판(20)의 표면측에 형성된 도시하지 않은 산화막과의 계면에서 발생한 암전류의 억제가 도모된다.
제1 전하 축적부(24)는, 웰 영역(21)에서 구성되는 전송 게이트부(24a)를 끼우고 포토 다이오드(PD)에 인접하는 영역에 형성되어 있고, 기판(20)의 표면부터 깊이 방향으로 형성된 n형 반도체 영역으로 구성되어 있다. 제1 전하 축적부(24) 및 전송 게이트부(24a)가 형성된 영역의 기판(20) 바로 위에는, 절연막(31)을 통하여 전위 변동 전극(26)이 형성되어 있다. 그리고, 전위 변동 전극(26)에 소망하는 전위 변동 펄스(CCD)를 공급함에 의해, 전송 게이트부(24a) 및 제1 전하 축적부(24)의 전위가 변동한다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)에 축적된 신호 전하가 전송 게이트부(24a)를 통과하여 제1 전하 축적부(24)에 전송되도록 구성되어 있다.
이와 같이, 제1 전하 축적부(24)는, 전위 변동 전극(26)에 의해 전위가 변동되는 CCD(Charge Coupled Device) 구조가 되여 신호 전하를 일시적으로 보존하는 용량부(MEM)로서 기능한다. 또한, 제1 전하 축적부(24)의 포토 다이오드(PD)측에는, 전위 장벽(전송 게이트부(24a)에 상당)이 마련된 구성으로 되어 있다.
제2 전하 축적부(25)는, 전송 트랜지스터(13)를 구성하는 전송 게이트 전극(28)을 끼우고 제1 전하 축적부(24)에 인접하는 영역에 형성되고, 기판(20)의 표면측에 형성된 n형 반도체 영역으로 구성되어 있다. 제2 전하 축적부(25)는, 예를 들면 포토 다이오드(PD)를 구성하는 n형 반도체 영역(23)보다도 높은 불순물 농도로 구성되어 있고, 이른바 플로팅 디퓨전부(FD)를 구성한다.
전송 트랜지스터(13)는, 제1 전하 축적부(24)가 되는 소스와, 제2 전하 축적부(25)가 되는 드레인과, 그 소스·드레인사이의 기판(20)상에 절연막(31)을 통하여 형성된 전송 게이트 전극(28)으로 구성된다.
전송 트랜지스터(13)에서는, 전송 게이트 전극(28)에 전송 펄스(Trf)를 공급함에 의해, 제1 전하 축적부(24)에 축적된 신호 전하가 제2 전하 축적부(25)에 전송된다.
제1 리셋 트랜지스터(11)는, 포토 다이오드(PD)가 되는 소스와, 전원 전압(Vdd)에 접속된 드레인(도 2A에서는, 배출부(30)로 도시한다)과, 그 소스·드레인사이에 형성된 제1 리셋 게이트 전극(29)으로 구성된다. 제1 리셋 트랜지스터(11)에서는, 제1 리셋 게이트 전극(29)에 제1 리셋 펄스(Drn)를 공급함에 의해, 포토 다이오드(PD)의 전위가 전원 전압(Vdd)에 리셋된다.
제2 리셋 트랜지스터(14)는, 제2 전하 축적부(25)가 되는 소스와, 전원 전압(Vdd)에 접속된 드레인과, 그 소스·드레인사이에 형성된 제2 리셋 게이트 전극(32)으로 구성된다. 제2 리셋 트랜지스터(14)에서는, 제2 리셋 게이트 전극(32)에 제2 리셋 펄스(Rst)를 공급함에 의해, 제2 전하 축적부(25)의 전위가 전원 전압(Vdd)에 리셋된다.
앰프 트랜지스터(15)는, 전원 전압(Vdd)이 공급된 드레인과, 선택 트랜지스터(16)의 드레인을 겸하는 소스와, 그 소스·드레인사이에 형성된 앰프 게이트 전극(33)으로 구성되어 있다. 앰프 트랜지스터(15)에서는, 앰프 게이트 전극(33)에 제2 전하 축적부(25)의 전위가 공급된다. 이에 의해, 그 전위에 대응하는 화소 신호를 드레인에 출력한다.
선택 트랜지스터(16)는, 앰프 트랜지스터(15)의 소스를 겸하는 드레인과, 수직 신호선(17)에 접속된 소스와, 그 소스·드레인사이에 형성된 선택 게이트 전극(34)으로 구성되어 있다. 선택 트랜지스터(16)에서는, 선택 게이트 전극(34)에 선택 펄스(Sel)를 공급함에 의해, 화소 신호가 수직 신호선(17)에 출력된다. 그리고, 선택 트랜지스터(16)를 통하여 앰프 트랜지스터(15)가 수직 신호선(17)에 접속됨에 의해, 수직 신호선(17)의 일단에 접속된 정전류원(35)과 소스 폴로워 회로를 구성한다.
도 2A에서는, 제2 리셋 트랜지스터(14), 앰프 트랜지스터(15), 선택 트랜지스터(16)는 회로도만으로 나타내고, 단면 구성을 생략하였지만, 다른 화소 트랜지스터와 마찬가지로 n채널 MOS 트랜지스터로 구성되는 것이다. 즉, 제2 리셋 트랜지스터(14), 앰프 트랜지스터(15), 선택 트랜지스터(16)를 구성하는 소스·드레인은, 기판(20) 표면에 형성된 n형 반도체 영역에서 구성되고, 각 게이트 전극은, 절연막을 통하여 기판(20) 표면에 형성되는 것이다.
1-3 구동 방법
다음에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 구동 방법에 관해 설명한다. 도 3은, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 촬상 방법을 도시하는 타이밍 차트이다. 또한, 도 4 및 도 5는, 타이밍 차트에 대응하는 포텐셜도이고, 단위화소의 노광부터 판독까지의 전자의 이동, 및 전위의 천이를 도시하는 단면 포텐셜도이다. 도 3의 (1) 내지 (12)는, 도 4 및 도 5의 (1) 내지 (12)에 대응하는 것이다.
우선, 노광 시작 전의 대기 상태에서는, 제1 리셋 펄스(Drn), 전위 변동 펄스(CCD), 전송 펄스(Trf), 선택 펄스(Sel), 제2 리셋 펄스(Rst)가 공급되지 않고, 각 게이트부는 오프 상태(도 3의 (1)의 상태)가 된다. 이 대기 상태에서는 도 4(1)에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(PD) 및 제2 전하 축적부(25)에 신호 전하가 축적되어 있는 상태이다. 이 때에 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 신호 전하는, 전(previous)의 프레임 판독 이후에 입사한 입사광에 의한 것이다. 또한, 제2 전하 축적부(25)에 축적된 신호 전하는, 전의 프레임으로부터의 나머지이다.
다음에, 노광을 시작하기 위해, 제1 리셋 펄스(Drn)를 공급함에 의해, 제1 리셋 트랜지스터(11)를 온 한다(도 3의 (2)). 제1 리셋 트랜지스터(11)를 온 함에 의해, 도 4(2)에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(PD)에 축적된 신호 전하가 전원 전압(Vdd)에 접속된 배출부(30)측에 배출되고, 포토 다이오드(PD)는 리셋된다. 그 후, 제1 리셋 펄스(Drn)의 공급을 정지함에 의해, 제1 리셋 트랜지스터(11)를 오프 한다(도 3의 (3)). 그리고, 이와 같이 포토 다이오드(PD)에 축적된 신호 전하를 리셋하는 동작이 전자 셔터 동작이 되고, 제1 리셋 트랜지스터(11)를 오프 한 후, 포토 다이오드(PD)에서의 노광이 시작된다.
노광 시작 후, 소망하는 노광 기간이 경과한 상태(도 3의 (4))에서는, 도 4의 (4)에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(PD)에 노광 기간에 광전 변환한 신호 전하가 축적된다. 여기서, 제1 리셋 게이트 전극(29) 아래의 리셋 게이트부의 전위 장벽을, 전위 변동 전극(26) 아래의 전송 게이트부(24a)보다도 낮게 구성하고 있다. 이 때문에, 포토 다이오드(PD)의 포화 전하량을 초과하여 신호 전하가 생성된 경우에는, 포토 다이오드(PD)로부터 넘쳐진 신호 전하는, 제1 전하 축적부(24)측이 아니라, 제1 리셋 트랜지스터(11)를 구성하는 배출부(30)측으로 배출되도록 구성되어 있다. 전위 장벽의 높이는, 불순물 농도로 컨트롤할 수 있다. 구체적으로는, 제1 리셋 게이트 전극(29)의 아래에 인 등의 n형 불순물을 도입함으로써, 그 전위 장벽을 내릴 수 있다. 제1 전하 축적부(24)와 제2 전하 축적부(25)의 양쪽을 전하 보존에 사용하는 종래예인 일본국 특개2009-268083호 공보에서는, 전위 장벽의 상하 관계가 반대여서, 포토 다이오드(PD)로부터 넘쳐진 신호 전하는 제1 전하 축적부(24)의 측으로 흐르도록 되어 있다.
다음에, 제2 리셋 펄스(Rst)와 전송 펄스(Trf)를 공급함으로써, 제2 리셋 트랜지스터(14)와 전송 트랜지스터(13)를 온 한다(도 3의 (5)). 이에 의해, 도 4의 (5)에 도시하는 바와 같이, 제2 전하 축적부(25)에 축적된 신호 전하를, 제2 리셋 트랜지스터(14)를 통하여 전원 전압(Vdd)측에 배출한다. 여기서, 제1 전하 축적부(24)에도 신호 전하가 축적되어 있는 경우에는, 제1 전하 축적부(24)의 신호 전하도 마찬가지로, 제2 리셋 트랜지스터(14)를 통하여 전원 전압(Vdd)측에 배출된다. 그리고, 이 동작을, 후의 롤링 판독의 상태에 접근하기 위해, 선택 펄스(Sel)를 동시에 공급함으로써, 선택 트랜지스터(16)를 온 하여 두는 것이 바람직하다.
그리고, 제2 리셋 펄스(Rst)와 전송 펄스(Trf)의 공급을 정지함으로써, 제2 리셋 트랜지스터(14)와 전송 트랜지스터(13)를 오프 한다(도 3의 (6)). 여기서는, 도 4(6)에 도시하는 바와 같이, 제1 전하 축적부(24)와 제2 전하 축적부(25)의 신호 전하가 리셋된 상태가 된다.
다음에, 전위 변동 펄스(CCD)와 전송 펄스(Trf)를 공급함으로써, 전송 게이트부(24a) 및 제1 전하 축적부(24)의 전위를 깊게 함과 함께, 전송 트랜지스터(13)를 온 한다(도 3의 (7)). 이에 의해, 도 5(7)에 도시하는 바와 같이, 노광 기간 중 포토 다이오드(PD)에 축적된 신호 전하가 제1 전하 축적부(24) 및 제2 전하 축적부(25)에 전송된다. 여기서, 제1 전하 축적부(24)는 포토 다이오드(PD)에 축적된 신호 전하를 전부 받아들이도록 크게는 형성하고 있지 않다. 이 때문에, 포토 다이오드(PD)의 신호 전하는, 우선, 제1 전하 축적부(24)에 전송되고, 제1 전하 축적부(24)로부터 넘쳐진 신호 전하가 제2 전하 축적부(25)에 전송되어, 제2 전하 축적부(25)에 축적된다.
그리고, 신호 전하의 전송 후, 전위 변동 펄스(CCD)와 전송 펄스(Trf)의 공급을 정지하여, 전위 변동 전극(26) 하부의 전위를 원래의 전위로 되돌림과 함께, 전송 트랜지스터(13)를 오프 한다(도 3의 (8)). 이 때, 선택 펄스(Sel)가 공급되고 있던 경우에는, 동시에 공급을 정지한다. 그리고, 이에 의해, 도 5의 (8)에 도시하는 바와 같이, 신호 전하의 제1 전하 축적부(24) 및 제2 전하 축적부(25)에의 전송이 종료된다.
여기까지의 일련의 동작은, 전 화소 동시에 행하여지는 것이다. 즉, 도 4(2)의 공정에서 글로벌 노광이 시작되고, 도 4의 (7)의 공정에서, 글로벌 전송이 이루어짐으로써 노광 기간이 전 화소 동시에 종료한다.
다음에, 롤링 판독을 행한다. 롤링 판독에서는, 1행씩 차례로 동작한다. 각 화소은, 당해 행의 동작이 돌아올 때까지 도 5의 (8)의 상태이다. 도 3, 도 5에서는, n행째의 화소의 동작에 관해 설명한다.
n행째의 순번이 돌아오면, 우선, 선택 펄스(Sel)를 공급한다(도 3의 (8')). 이에 의해, 선택 트랜지스터(16)가 온 한 상태가 된다. 이 때의 전송 트랜지스터(13)의 포텐셜은, 도 5의 (8)와 같은 상태이다. 그리고, 선택 트랜지스터(16)가 온 됨에 의해, 제2 전하 축적부(25)에 축적된 신호 전하에 의한 전위에 대응하는 화소의 출력이 고조도(high luminance) 신호로서 앰프 트랜지스터(15)에서 증폭되어, 선택 트랜지스터(16)를 통하여 수직 신호선(17)에 출력된다. 수직 신호선(17)에 출력된 고조도 신호는, 칼럼 회로(도시 생략)에 받아들여진다.
다음에, 선택 펄스(Sel)를 계속 공급한 상태에서, 제2 리셋 펄스(Rst)를 공급한다(도 3의 (9)). 이에 의해, 제2 리셋 트랜지스터(14)가 온 한 상태가 되고, 도 5의 (9)에 도시하는 바와 같이, 제2 전하 축적부(25)에 축적되어 있던 신호 전하가 전원 전압(Vdd)측에 배출되고, 리셋된다. 그 후, 제2 리셋 펄스(Rst)의 공급을 정지함(도 3의 (10))에 의해, 도 5의 (10)에 도시하는 바와 같이 제2 리셋 트랜지스터(14)를 오프 한다.
그리고, 제2 리셋 트랜지스터(14)를 오프 한 상태에서, 제2 전하 축적부(25)의 전위에 대응하는 출력을 리셋 신호로서 칼럼 회로에 받아들인다. 칼럼 회로에서는, 앞서 취득한 고조도 신호와 이 리셋 신호와의 차분을 취함에 의해 상관 이중 샘플링을 행한다. 이에 의해, 칼럼 회로에서는, 고정 노이즈 패턴이 제거된 새로운 고조도 신호를 보존한다.
다음에, 선택 펄스(Sel)를 계속 공급한 상태에서, 전송 펄스(Trf)를 공급한다(도 3의 (11)). 이에 의해, 전송 트랜지스터(13)가 온 한 상태가 되고, 도 5의 (11)에 도시하는 바와 같이, 제1 전하 축적부(24)에 축적되어 있던 신호 전하가 제2 전하 축적부(25)에 전송된다. 전송 종료 후, 전송 펄스(Trf)의 공급을 정지하여(도 3의 (12)), 도 5의 (12)에 도시하는 바와 같이 전송 트랜지스터(13)를 오프 한다.
그리고 이 상태에서 제2 전하 축적부(25)에 축적된 신호 전하에 의한 전위에 대응하는 화소의 출력이 저조도 신호로서 앰프 트랜지스터(15)에서 증폭되어, 선택 트랜지스터(16)를 통하여 수직 신호선(17)에 출력된다. 수직 신호선(17)에 출력된 저조도 신호는, 칼럼 회로에 받아들여진다. 칼럼 회로에서는, 도 3의 (10)의 상태에서 얻은 리셋 신호와 저조도 신호와의 차분을 취함에 의해, 상관 이중 샘플링을 행한다. 이에 의해, 칼럼 회로에서는, 고정 노이즈 패턴이 제거된 새로운 저조도 신호를 보존한다.
그리고, 칼럼 회로로 보존된 고정 노이즈 패턴이 제거된 고조도 신호 및 저조도 신호를, 수평 신호선(10)을 통하여 출력 처리부(7)에 출력한다. 출력 처리부(7)에서는, 고조도 신호와 저조도 신호로부터, 노광 기간 중에 포토 다이오드(PD)에서 생성, 축적된 신호 전하에 대응하는 신호를 재구성하여, 출력한다. 이에 의해, n행째의 화소의 판독이 종료된다.
n행째의 화소의 판독이 종료된 후는, n+1행째의 화소의 판독을 행한다. n+1행째의 화소를 판독하는 경우도, 도 3의 (8') 내지 (12)와 같은 동작으로 각 화소 트랜지스터를 구동하여, 저조도 신호와 고조도 신호를 얻을 수 있다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 노광 기간 중에 있어서, 광전 변환된 신호 전하의 축적은 포토 다이오드(PD)에서만 행하고, 노광 기간 종료 후에, 제1 전하 축적부(24) 및 제2 전하 축적부(25)에 전송한다. 이 때문에, 노광 기간 중에, 포토 다이오드(PD)와 제1 전하 축적부(24)에서 축적을 행하는 종래의 고체 촬상 장치에 비교하여, 제1 전하 축적부(24)의 면적을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 단위화소의 면적을 같다고 한 경우에는, 포토 다이오드(PD)의 점유 면적을 보다 크게 확보할 수 있고, 감도나 포화 전하량의 증가를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 저조도 신호와 고조도 신호를 판독할 수 있기 때문에, 다이내믹 레인지의 확대를 도모할 수 있다.
본 실시 형태예에서, 전자 셔터 동작과 글로벌 전송의 동시성은, 실용상 문제가 없는 정도면 좋다. 전 화소를 완전히 동시에 구동하면 드라이버에 부하가 걸린다. 이 부하를 경감하기 위해, 화소 어레이부(2)의 상방과 하방에서 작은 시간차를 마련하는 구성으로 하여도 좋다.
그런데, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 구동 방법을 이용함에 의해, 전자 셔터의 동작을, 롤링 판독중에 행하는 것도 가능해진다. 이하에, 변형례로서, 전자 셔터의 동작을 롤링 판독중에 행하는 구동 방법에 관해 설명한다.
1-4 변형례
도 6은, 변형례에 관한 고체 촬상 장치의 구동 방법을 도시하는 타이밍 차트이다. 변형례에서는, 전자 셔터의 동작, 글로벌 전송의 동작, 롤링 판독시의 각 화소의 동작은 상술한 본 실시 형태예와 마찬가지이지만, 그 타이밍이 다른 것이고, 동화 촬영의 경우에 유효한 구동 방법이다.
변형례에서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 롤링 판독이 전부 끝나기 전에, 전자 셔터의 동작(도 6의 (2))을 행한다. 즉, 전의 프레임의 판독 기간 중에, 다음의 노광 시간을 시작한다. 이 경우, 전원 요동 등의 영향을 최소한으로 하기 위해, 행과 행이 교체될 때에 전자 셔터 동작을 행하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 노광 기간 중에 있어서 포토 다이오드(PD)에서 생성된 신호 전하가 포토 다이오드(PD)의 포화 전하량을 초과한 경우에는, 제1 리셋 트랜지스터(11)의 드레인측(배출부(30))에 오버플로한다. 이 때문에, 제1 전하 축적부(24)나 제2 전하 축적부(25)측으로 포토 다이오드(PD)의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로할 우려가 없기 때문에, 롤링 판독이 끝나기 전에 노광을 시작할 수 있다.
그리고, 변형례와 같이, 롤링 판독이 끝나기 전에 노광을 시작하고, 노광중의 신호 전하의 축적은 포토 다이오드(PD)에서만 행하고, 롤링 판독이 전부 종료한 이후에 글로벌 전송을 행함으로써, 전(previous)의 신호 전하와 다음의 신호 전하가 제1 전하 축적부(24)나 제2 전하 축적부(25)에서 섞이는 일이 없다.
변형례에서는, 롤링 판독이 끝나기 전에 노광을 시작함으로써, 프레임 사이의 시간 건너뜀이 적어, 매끈한 동화를 얻을 수 있고, 감도의 향상이 도모된다. 또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 선술한 바와 같이, 생성된 신호 전하는 포토 다이오드(PD)만에 축적되기 때문에, 포토 다이오드(PD)의 면적을 크게 취하고, 제1 전하 축적부(24)는 작게 형성하는 구성으로 되어 있다. 이와 같은 구성은, 변형례의 구동 방법에 효과적이다.
2. 제2의 실시 형태 : 고체 촬상 장치·전자 기기
다음에, 본 개시된 제2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치와, 그 구동 방법, 및 전자 기기에 관해 설명한다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 전체 구성은, 도 1과 마찬가지이기 때문에 중복 설명을 생략한다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치는, 2개의 화소에서 복수의 화소 트랜지스터를 공유하는 예이다.
2-1 화소의 구성
도 7은, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치의 화소 구성을 도시하는 회로도이다. 도 7에서는, 열방향으로 인접하는 2개의 화소(이하, 제1 화소(40a), 제2 화소(40b)라고 한다)를 대표로서 나타내고 있다. 도 7에서, 도 2B에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 제1 화소(40a)와, 제2 화소(40b)에서는, 포토 다이오드(PD), 제1 전하 축적부(24)(도 2A 참조), 및, 그들을 구동한 화소 트랜지스터는 화소마다 각각 형성되어 있다. 그리고, 제2 전하 축적부(25)(도 2A 참조)는, 제1 화소(40a) 및 제2 화소(40b)에서 공유되어 있다. 그리고, 제2 전하 축적부(25)를 리셋하는 제2 리셋 트랜지스터(14), 앰프 트랜지스터(15), 선택 트랜지스터(16)도 제1 및 제2 화소(40a, 40b)에서 공유되어 있다.
제1 화소(40a)에서는, 전송 트랜지스터(13)에 전송 펄스(Trf1)가 입력되고, 제1 리셋 트랜지스터(11)에 제1 리셋 펄스(Drn1)가 입력되고, 전위 변동 전극(26)에 전위 변동 펄스(CCD1)가 입력된다.
제2 화소(40b)에서는, 전송 트랜지스터(13)에 전송 펄스(Trf2)가 입력되고, 제1 리셋 트랜지스터(11)에 제1 리셋 펄스(Drn2)가 입력되고, 전위 변동 전극(26)에 전위 변동 펄스(CCD2)가 입력된다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치를 구동하기 위해서는, 정지화의 촬영에서, 메커니컬 셔터를 병용할 필요가 있다. 다음에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치가 조립되는 전자 기기에 관해 설명한다.
2-2 전자 기기의 구성
도 8에, 본 개시된 전자 기기의 한 예로서 고체 촬상 장치를 카메라에 적용한 경우의 구성을 나타낸다. 본 실시의 형태에 관한 전자 기기(50)는, 광학 렌즈군(광학계)(51), 메커니컬 셔터(61), 고체 촬상 장치(52), DSP(Digital signal processor)(53), 프레임 메모리(57), 중앙 처리 장치(CPU)(54)를 구비한다. 또한, 표시 장치(55), 기록 장치(58), 조작계(56) 및 전원계(59) 등을 구비하여 구성된다. 이 중, DSP(53), 프레임 메모리(57), CPU(54), 표시 장치(55), 기록 장치(58), 조작계(56) 및 전원계(59)는, 공통의 버스 라인(60)에 접속되어 있다.
광학 렌즈군(51)은, 피사체로부터의 상광(image light)(입사광)을 고체 촬상 장치(52)의 촬상면(화소 어레이부 : 화소부)에 유도하는 것이다. 메커니컬 셔터(61)는, 고체 촬상 장치(52)에의 광조사 기간 및 차광 기간을 제어한다. 고체 촬상 장치(52)는, 도 7에 도시한 화소 구성을 갖는 고체 촬상 장치가 적용된다. 이 고체 촬상 장치(52)는, 광학 렌즈군(51)에 의해 촬상면에 결상된 상광을 화소 단위로 전기 신호로 변환한다. DSP(53)는, 고체 촬상 장치(52)를 제어함과 함께, 그곳부터의 신호를 받아, 화상 신호를 생성하는 것이다. 프레임 메모리(57)는, DSP(53)에서 처리된 화상 신호를 일시적으로 기억하기 위해 사용되는 메모리이다.
표시 장치(55)는, DSP(53)의 처리 결과로서 출력된 화상 신호를 표시하는 것이다. 기록 장치(58)는, 그 화상 신호를 예를 들면 자기 테이프, 자기 디스크, 광디스크, 메모리 카드 등에 기록하는 것이다. 조작계(56)는, 카메라를 조작하기 위한 것이다. 전원계(59)는, 고체 촬상 장치(52)나 메커니컬 셔터(61)를 구동하기 위한 전력을 인가하는 것이다. CPU(54)는, 이들의 동작을 제어한다.
본 실시 형태예의 전자 기기(50)에서는, 정지화의 촬영시에는, 메커니컬 셔터(61)를 이용하고, 동화의 촬영시에는, 메커니컬 셔터(61)를 이용하지 않고서 촬영을 행한다. 이하에, 그 구체적인 구동 방법에 관해 설명한다.
2-3 구동 방법 : 정지화
도 9에, 본 실시 형태예의 전자 기기(50)에 조립된 고체 촬상 장치(52)에서, 정지화를 촬영하는 경우의 타이밍 차트를 도시한다. 도 9의 (1) 내지 (12)는, 도 4 및 도 5의 (1) 내지 (12)에 대응한다. 본 실시 형태예에서는, 정지화를 촬영하는 경우에는 전자 기기(50)를 구성하는 메커니컬 셔터(61)를 병용한다.
우선, 메커니컬 셔터(61)를 열은 상태에서, 전 화소 동시에 제1 리셋 펄스(Drn1, Drn2)를 공급함으로써, 제1 리셋 트랜지스터(11)만을 온 한다(도 9의 (2)). 그 후, 전 화소 동시에 제1 리셋 펄스(Drn1, Drn2)의 공급을 정지함으로써 제1 리셋 트랜지스터(11)를 오프 한다(도 9의 (3)). 이에 의해, 전자 셔터 동작이 전 화소 동시에 행하여지고, 노광 기간이 시작된다. 노광 기간이 시작되면, 도 4의 (4)에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(PD)에서의 신호 전하의 생성, 축적이 시작된다.
다음에, 메커니컬 셔터(61)를 닫음에 의해, 전 화소 동시에 노광 기간을 종료한다. 즉, 제1의 실시 형태에서는, 글로벌 전송을 행함에 의해 전 화소 동시에 노광 기간을 종료하는 구성으로 되어 있지만, 본 실시 형태예에서는, 메커니컬 셔터(61)를 닫음으로써 노광 기간을 종료시킨다.
메커니컬 셔터(61)를 닫은 후, 롤링 판독을 시작한다. 롤링 판독에서는, 우선, 제1 화소(40a)의 신호를 판독한다. 제1 화소(40a)의 판독에서는, 제1의 실시 형태에서의 구동 방법의 도 4의 (5) 내지 도 5의 (12)와 마찬가지로 하여, 포토 다이오드(PD)에 축적된 신호 전하를, 고조도 신호 및 저조도 신호로서 판독한다.
그리고, 제1 화소(40a)의 신호 전하가 판독되고 있는 동안, 제2 화소(40b)에서는, 생성, 축적된 신호 전하는 포토 다이오드(PD)에 축적된 채로 된다.
제1 화소(40a)의 판독이 종료되면, 다음에, 제2 화소(40b)의 판독을 행한다. 제2 화소(40b)의 판독에서도, 제1의 실시 형태에서의 도 4의 (5) 내지 도 5의 (12)와 마찬가지로 하여 판독한다. 본 실시 형태예에서는, 이와 같이, 복수의 화소 트랜지스터를 공유하는 화소에서 순번대로 신호 전하의 제1 및 제2 전하 축적부(24, 25)에의 전송, 및 판독을 행한다.
본 실시 형태예에서는, 도 4의 (4) 내지 도 5의 (8)의 동작도 행마다의 판독 동작에 받아들여지기 때문에, 판독하는 화소에서의 리셋 신호를 칼럼 회로에 받아들이는 것이 가능해진다. 이 때문에, 고조도 신호에 관해서는, 도 9의 (10)에서 얻어지는 리셋 신호가 아니라, 도 9의 (6)에서 얻어지는 리셋 신호와의 차분을 취하는 것도 가능하다.
본 실시 형태예에서는, 복수의 화소 트랜지스터를 공유하는 제1 화소(40a), 제2 화소(40b)에서, 신호 전하의 제1 및 제2 전하 축적부(24, 25)에의 전송, 및 판독을 차례로 행함에 의해, 각 화소의 신호 전하가 제2 전하 축적부(25)에서 혼재하는 일이 없다. 또한, 본 실시 형태예에서는, 노광 기간 종료는 메커니컬 셔터(61)로 기계적으로 행하기 때문에, 메커니컬 셔터(61)가 닫혀진 후의 입사광은 기계적으로 차단된다. 이 때문에, 롤링 판독시에, 그 화소의 판독시까지 신호 전하를 포토 다이오드(PD)에 축적하여 두는 것이 가능해지다. 또한, 본 실시 형태예에서는, 메커니컬 셔터(61)는 노광 기간 종료의 타이밍을 결정하는 용도로만 사용된다. 이 때문에, 본 실시 형태예에서 이용하는 메커니컬 셔터(61)는, 노광 기간의 시작과 종료를 결정하는 고정밀한 메커니컬 셔터에 비교하여, 간소한 메커니컬 셔터를 이용할 수 있다.
2-4 구동 방법 : 동화
도 10에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에서, 동화를 촬영하는 경우의 타이밍 차트를 도시한다. 도 10의 (1) 내지 (12)는, 도 4 및 도 5의 (1) 내지 (12)에 대응한다. 본 실시 형태예에서는, 동화를 촬영하는 경우에는 전자 기기(50)를 구성하는 메커니컬 셔터(61)를 병용하지 않아도 좋다.
동화를 촬영하는 경우에는, 제1의 실시 형태와 마찬가지로 하여, 전 화소 동시에 전자 셔터(도 10의 (2))의 동작을 행한다. 그리고, 일정한 노광 기간 종료 후, 제1의 실시 형태와 같은 글로벌 전송(도 10의 (4) 내지 (8))에 의해, 전 화소 동시에 노광 기간을 종료한다. 또한, 롤링 판독에서, 제1 화소(40a)와 제2 화소(40b)의 제1 리셋 펄스(Drn1, Drn2), 전송 펄스(Trf1, Trf2), 전위 변동 펄스(CCD1, CCD2)를 각각 동시에 동작시킨다. 이에 의해, 2화소분의 신호 전하가 제2 전하 축적부(25)에서 가산되어 판독된다. 즉, 동화의 촬영에서는, 제1 화소(40a) 및 제2 화소(40b)의 신호 전하가, 1화소분의 신호 전하로서 판독된다.
그런데, 현재의 디지털 카메라에서는, 정지화는 1000만화소 이상에 대해, 동화의 HDTV(High-Definition Tele Vision)라도 200만화소밖에 없다. 이와 같이, 동화에 관해서는 화소 가산하여 화소수를 줄여도 좋은 용도가 많다. 본 실시 형태예에서는, 동화의 촬영시에, 공유 화소 사이으로 화소 가산을 행하는 예로 하였지만, 감도나 반환 노이즈가 뒤떨어져도 좋으면, 화소 가산이 아니라 공유 화소중의 하나의 화소만을 읽는 솎아냄 판독을 채용하여도 좋다.
이상과 같이, 본 실시 형태예에서는, 글로벌 셔터 기능을 갖는 고체 촬상 장치에서, 복수(본 실시 형태예에서는 2개)의 화소에서, 복수의 화소 트랜지스터를 공유할 수 있다. 이 때문에, 단위화소의 면적을 소형화할 수 있다. 또한, 화소 트랜지스터의 점유 면적을 작게 할 수 있기 때문에, 각 화소의 포토 다이오드(PD)의 면적을 크게할 수 있고, 포화 전하량의 확대가 도모된다.
그런데, 본 실시 형태예에서는, 동화의 촬영시에 있어서, 제2 전하 축적부(25)를 공유한 화소의 신호가 혼재하여 출력된다. 이 때문에, 제2 전하 축적부(25)를 공유한 화소은, 서로 같은 색의 광에 대응하는 화소일 필요가 있다.
도 11A에, 본 실시 형태예에 적용 가능한 화소 배열의 한 예를 도시하고, 도 11B에, 도 11A에서의 실제의 화소 배열에 대해, 공유 화소끼리에서 신호 전하를 가산한 경우의 실효적인 화소 배열을 도시하고 있다. 도 11A에서는, 적색 화소(R), 청색 화소(B), 녹색 화소(G)를 배열하는 예를 나타내고 있다. 도 11A에 도시하는 바와 같이, 홀수번째의 열의 화소는 전부 녹색 화소로 구성하고, 짝수번째의 열의 화소는, 적색 화소와 청색 화소를 각각 2행분씩 교대로 배치하고 구성한다. 그리고, 각 열의 화소에서, 인접하는 같은 색 화소에서, 제2 전하 축적부(도 2A의 제2 전하 축적부(25))를 공유하는 화소 구성으로 한다.
이상과 같은 배열로 함으로써, 화소 가산을 행하여 동화를 촬영하는 경우에는, 인접하는 같은 색의 2개 화소의 신호 전하가 한번에 판독된다. 그리고 이 경우, 공유 화소가 같은 색이기 때문에 혼색하는 일이 없다. 이와 같이, 같은 색 화소에서 제2 전하 축적부(25)를 포함하는 복수의 화소 트랜지스터를 공유함에 의해, 화소수는 감소하는 것이지만, 동화의 촬영에 충분한 화소수를 얻을 수 있다. 또한, 동화의 촬영시에 있어서의 노광 기간은 화소마다 설정 가능하기 때문에, 동화의 촬영시에, 공유 화소의 2화소 사이에서 각각 신호 전하의 축적 시간을 바꿈으로써, 비스듬히 45도의 베이어 배열에서의 다이내믹 레인지의 확대가 가능하다.
도 11A에서는, 동화의 촬영시에 있어서의 화소 배열이 비스듬한 베이어 배열이 되는 배열을 도시하였지만, 도 11A의 배열을 45도 회전시킴으로써, 도 11B의 배열을 베이어 배열이 되도록 하는 것도 가능하다.
본 실시 형태예에서는, 2개의 화소에서, 제2 전하 축적부(25), 및 복수의 화소 트랜지스터를 공유하는 예로 하였지만, 2개 이상의 화소에서 공유하는 것도 가능하다. 도 12에, 3개의 화소에서 제2 전하 축적부(25), 및 복수의 화소 트랜지스터를 공유하는 경우에 적용 가능한 화소 배열의 예를 나타낸다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 화소 배열은 통상의 베이어 배열로 하고, 종방향(행방향)으로 인접하는 같은 색의 3개의 화소를 공유 단위로 한다. 즉, 도 12의 배선으로 연결한 화소끼리가 공유 화소가 된다.
본 실시 형태예에서도, 공유 화소가 같은 색 화소로 구성되기 때문에, 동화의 촬영시에 있어서도 혼색이 발생하는 일이 없다. 또한, 도 12의 배열에서, 종방향의 3개의 화소 가산과 맞추어서, 칼럼 회로 등에 의해, 횡방향(열방향)의 3렬분의 화소 가산을 행하면, 화소수 1/9의 베이어 배열을 재구성할 수 있다. 이 경우, 화소수가 대략 1800만화소인 경우에, 200만화소의 동화를 촬영할 수 있고, 동화 촬영에 충분한 화소수를 확보할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태예에서는, 메커니컬 셔터(61)를 병용함으로써, 복수의 화소 트랜지스터를 복수의 화소에서 공유하는 화소 공유의 구조를 갖는 글로벌 셔터 기능 부착의 고체 촬상 장치에서, 동화의 촬영 및 정지화의 촬영의 양쪽이 글로벌 셔터로 가능해진다. 또한, 본 실시 형태예에서는, 정밀도가 높은 고가의 메커니컬 셔터는 필요 없기 때문에, 비용을 억제할 수 있다.
본 개시는, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에의 적용으로 한하지 않고, 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에도 적용 가능하다. 광의의 의미로서, 압력이나 정전용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하고 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 고체 촬상 장치(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대해 적용 가능하다.
또한, 본 개시는, 화소 영역의 각 단위화소를 행 단위로 차례로 주사하여 각 단위화소로부터 화소 신호를 판독하는 고체 촬상 장치로 한정되는 것이 아니다. 화소 단위로 임의의 화소를 선택하여, 당해 선택 화소로부터 화소 단위로 신호를 판독하는 X-Y 어드레스형의 고체 촬상 장치에 대해서도 적용 가능하다.
또한, 고체 촬상 장치는 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 화소 영역과, 신호 처리부 또는 광학계가 통합하여 팩키징된 촬상 기능을 갖는 모듈형상의 형태라도 좋다.
또한, 본 개시된 고체 촬상 장치는, 주로 n채널 MOS 트랜지스터를 구성으로 한 경우이지만, p채널 MOS 트랜지스터를 구성으로 하는 것도 가능하다. p채널 MOS 트랜지스터로 하는 경우는, 각 도면에어서, 그 도전형을 반전한 구성이 된다.
또한, 본 개시는, 전자 기기로서 카메라를 예로 설명하였지만, 전자 기기로서는, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 카메라 시스템 외에, 휴대 전화기 등의 촬상 기능을 갖는 전자 기기를 들 수 있다. 또한, 전자 기기에 탑재되는 상기 모듈형상의 형태, 즉 카메라 모듈로 하는 경우도 있다.
또한, 본 개시에서는, 제2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치를 전자 기기에 적용한 예만 나타냈지만, 제1의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치를 전자 기기에 적용하는 것도 물론 가능하다. 그 경우에는, 메커니컬 셔터는 병용하여도 하지 않아도 된다.
또한, 본 개시는, 이하와 같은 구성을 취할 수 있다.
(1) 광의 광량에 응한 신호 전하를 생성하는 광전 변환부와,
노광 기간 중, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하 중, 상기 광전 변환부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로되는 배출부와,
노광 기간 종료 후, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전송되는 제1 전하 축적부와, 상기 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 전송되는 제2 전하 축적부를 포함하는 적어도 2개의 전하 축적부와,
상기 신호 전하의 전송, 판독을 하는 복수의 화소 트랜지스터와,
를 구비하는 화소가 행렬형상으로 2차원 배치된 화소 어레이부와,
신호 전하의 축적 기간에서 축적 기간이 모든 화소가 동시가 되도록 주사하고, 판독 기간에서 상기 화소를 차례로 선택 주사하는 주사부를 구비하는 고체 촬상 장치.
(2) 노광 기간 중에 있어서, 상기 광전 변환부와 상기 배출부 사이의 전위 장벽은, 상기 광전 변환부와 상기 제1 전하 축적부 사이의 전위 장벽보다도 낮게 형성되어 있는 (1)에 기재된 고체 촬상 장치.
(3) 상기 제1 전하 축적부는, CCD 구조로 되어 있는 (2)에 기재된 고체 촬상 장치.
(4) 광의 광량에 응한 신호 전하를 생성하는 광전 변환부와,
노광 기간 중, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하 중, 상기 광전 변환부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로되는 배출부와,
노광 기간 종료 후, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전송되는 제1 전하 축적부와, 상기 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 전송되는 제2 전하 축적부를 포함하는 적어도 2개의 전하 축적부와,
상기 신호 전하의 전송, 판독을 하는 복수의 화소 트랜지스터와,
를 구비하는 화소가 행렬형상으로 2차원 배치된 화소 어레이부를 구비하는 고체 촬상 장치에서,
전 화소 동시에 상기 광전 변환부에서의 노광을 시작하고, 신호 전하의 생성, 축적을 행하는 공정과,
상기 광전 변환부에 축적된 신호 전하를 전 화소 동시에 상기 제1 전하 축적부에 전송하는 공정과,
전송시에 상기 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과하여 상기 제2 전하 축적부에 전송된 신호 전하를 고조도 신호로서 판독하고, 상기 제2 전하 축적부의 전위를 리셋한 후, 상기 제1 전하 축적부에 축적된 신호 전하를 상기 제2 전하 축적부에 전송하고, 그 제2 전하 축적부에 축적된 신호 전하를 저조도 신호로서 판독하는 공정을, 화소마다 행하는 공정을 갖는 고체 촬상 장치의 구동 방법.
(5) 상기 노광 기간의 시작은, 상기 광전 변환부에 축적된 신호 전하를, 상기 배출부에 배출시킴으로써 행하는 (4)에 기재된 고체 촬상 장치의 구동 방법.
(6) 상기 고조도 신호를 판독하고, 상기 제2 전하 축적부의 전위를 리셋한 후, 상기 제2 전하 축적부의 리셋 전위를 취득하고, 당해 리셋 전위를 이용하여 상기 고조도 신호 및 상기 저조도 신호의 고정 패턴 노이즈를 제거하는 공정을 갖는 (5)에 기재된 고체 촬상 장치의 구동 방법.
(7) 상기 노광 기간은, 상기 화소마다의 신호 전하의 판독이 종료되기 전에 시작하는 (6)에 기재된 고체 촬상 장치의 구동 방법.
(8) 광의 광량에 응한 신호 전하를 생성하는 광전 변환부와,
노광 기간 중, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하 중, 상기 광전 변환부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로되는 배출부와,
노광 기간 종료 후, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전송되는 제1 전하 축적부와, 상기 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 전송되는 제2 전하 축적부를 포함하는 적어도 2개의 전하 축적부와,
상기 신호 전하의 전송, 판독을 하는 복수의 화소 트랜지스터와,
를 구비하는 화소가 행렬형상으로 2차원 배치된 화소 어레이부와,
신호 전하의 축적 기간에서 축적 기간이 모든 화소가 동시가 되도록 주사하고, 판독 기간에서 상기 화소를 차례로 선택 주사하는 주사부를 구비하는 고체 촬상 장치를 갖는 전자 기기.

Claims (8)

  1. 광량에 응한 신호 전하를 생성하는 광전 변환부와,
    노광 기간 중, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하 중, 상기 광전 변환부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로되는 배출부와,
    노광 기간 종료 후, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전송되는 제1 전하 축적부와, 상기 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 전송되는 제2 전하 축적부를 포함하는 적어도 2개의 전하 축적부와,
    상기 신호 전하의 전송, 판독을 하는 복수의 화소 트랜지스터를 구비하는 화소가 행렬형상으로 2차원 배치된 화소 어레이부와,
    신호 전하의 축적 기간에서 축적 기간이 모든 화소가 동시가 되도록 주사하고, 판독 기간에서 상기 화소를 차례로 선택 주사하는 주사부를 구비하며,
    상기 제2 전하 축적부의 출력이 저조도 및 고조도 신호로서 앰프 트랜지스터에서 증폭되어 선택 트랜지스터를 통해 칼럼 회로에 수수되어 출력 처리부로 출력되며,
    상기 출력 처리부는 상기 노광 중에 광전 변환부에서 생성 축적된 신호 전하에 대응하는 신호를 재구성하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    노광 기간 중에 있어서, 상기 광전 변환부와 상기 배출부 사이의 전위 장벽은, 상기 광전 변환부와 상기 제1 전하 축적부 사이의 전위 장벽보다도 낮게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전하 축적부는, CCD 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 광량에 응한 신호 전하를 생성하는 광전 변환부와,
    노광 기간 중, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하 중, 상기 광전 변환부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로되는 배출부와,
    노광 기간 종료 후, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전송되는 제1 전하 축적부와, 상기 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 전송되는 제2 전하 축적부를 포함하는 적어도 2개의 전하 축적부와,
    상기 신호 전하의 전송, 판독을 하는 복수의 화소 트랜지스터를 구비하는 화소가 행렬형상으로 2차원 배치된 화소 어레이부를 구비하는 고체 촬상 장치에서,
    전 화소 동시에 상기 광전 변환부에서의 노광을 시작하고, 신호 전하의 생성, 축적을 행하는 공정과,
    상기 광전 변환부에 축적된 신호 전하를 전 화소 동시에 상기 제1 전하 축적부에 전송하는 공정과,
    전송시에 상기 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과하여 상기 제2 전하 축적부에 전송된 신호 전하를 고조도 신호로서 판독하고, 상기 제2 전하 축적부의 전위를 리셋한 후, 상기 제1 전하 축적부에 축적된 신호 전하를 상기 제2 전하 축적부에 전송하고, 그 제2 전하 축적부에 축적된 신호 전하를 저조도 신호로서 판독하는 공정을, 화소마다 행하는 공정을 포함하며,
    또한, 상기 제2 전하 축적부의 출력이 저조도 및 고조도 신호로서 앰프 트랜지스터에서 증폭되어 선택 트랜지스터를 통해 칼럼 회로에 수수되어 출력 처리부로 출력되며,
    상기 출력 처리부는 상기 노광 중에 광전 변환부에서 생성 축적된 신호 전하에 대응하는 신호를 재구성하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 구동 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 노광 기간의 시작은, 상기 광전 변환부에 축적된 신호 전하를, 상기 배출부에 배출시킴으로써 행하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 구동 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고조도 신호를 판독하고, 상기 제2 전하 축적부의 전위를 리셋한 후, 상기 제2 전하 축적부의 리셋 전위를 취득하고, 당해 리셋 전위를 이용하여 상기 고조도 신호 및 상기 저조도 신호의 고정 패턴 노이즈를 제거하는 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 구동 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 노광 기간은, 상기 화소마다의 신호 전하의 판독이 종료되기 전에 시작하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 구동 방법.
  8. 광량에 응한 신호 전하를 생성하는 광전 변환부와,
    노광 기간 중, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하 중, 상기 광전 변환부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 오버플로되는 배출부와,
    노광 기간 종료 후, 상기 광전 변환부에서 생성된 신호 전하가 전송되는 제1 전하 축적부와, 상기 제1 전하 축적부의 포화 전하량을 초과한 신호 전하가 전송되는 제2 전하 축적부를 포함하는 적어도 2개의 전하 축적부와,
    상기 신호 전하의 전송, 판독을 하는 복수의 화소 트랜지스터를 구비하는 화소가 행렬형상으로 2차원 배치된 화소 어레이부와,
    신호 전하의 축적 기간에서 축적 기간이 모든 화소가 동시가 되도록 주사하고, 판독 기간에서 상기 화소를 차례로 선택 주사하는 주사부를 구비하며,
    또한, 상기 제2 전하 축적부의 출력이 저조도 및 고조도 신호로서 앰프 트랜지스터에서 증폭되어 선택 트랜지스터를 통해 칼럼 회로에 수수되어 출력 처리부로 출력되며,
    상기 출력 처리부는 상기 노광 중에 광전 변환부에서 생성 축적된 신호 전하에 대응하는 신호를 재구성하는 고체 촬상 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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