KR20060048855A - 증폭형 고체 촬상 장치 - Google Patents

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KR20060048855A
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Abstract

본 증폭형 고체 촬상 장치의 제어장치는 제1기간 T2 동안 전송트랜지스터의 게이트 전압을 제1게이트 전압 V1로 제어하여 신호전하로서의 전자를 포토다이오드로부터 전하검출부로 전송시키도록 되어 있다. 또한, 상기 제어장치는 제1기간 T2후의 제2기간 T3에 있어서 전송트랜지스터의 게이트를 고임피던스로 함과 아울러, 제2기간 T3 내의 기간 TPU에 있어서 전송트랜지스터의 게이트 전압을 제1게이트 전압 V1보다도 신호전하를 전하검출부로 전송시키는 능력을 향상시키는 제2게이트 전압 V2로 제어하도록 되어 있다.
증폭형 고체 촬상 장치

Description

증폭형 고체 촬상 장치{AMPLIFICATION TYPE SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE}
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 의한 증폭형 고체 촬상 장치의 주요부를 나타내는 회로도이다.
도 2a는 상기 증폭형 고체 촬상 장치에 구비된 구동회로부의 구성을 상세히 나타내는 도면이다.
도 2b는 상기 증폭형 고체 촬상 장치에 구비된 구동회로부의 구성을 상세히 나타내는 도면이다.
도 2c는 상기 증폭형 고체 촬상 장치에 구비된 구동회로부의 구성을 상세히 나타내는 도면이다.
도 3은 상기 증폭형 고체 촬상 장치의 동작 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 4는 구동회로부의 제1실시형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 상기 제1실시형태에 의한 구동회로부의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시형태에 의한 증폭형 고체 촬상 장치가 갖는 화소의 단면구성도와 그 포텐셜 분포도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 의한 증폭형 고체 촬상 장치에 구비된 화 소부를 나타내는 도면이다.
도 8은 배경기술에 따른 APS형 이미지센서의 하나의 화소부를 나타내는 도면이다.
도 9는 다양한 구동펄스의 동작 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 10은 배경기술에 따른 화소의 단면구성도와 그 포텐셜 분포도를 나타낸 것이다.
본 발명은 화소부에 증폭장치(증폭회로)를 갖는 증폭형 고체 촬상 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 광전변환소자와 이 광전변환소자의 신호전하를 전송하는 전송트랜지스터를 갖는 화소를 복수로 구비하고, 상기 각 화소로부터의 신호를 각각 증폭해서 신호선상으로 판독하는 증폭형 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 증폭형 고체 촬상 장치로서는 증폭 기능을 갖는 화소부와 그 화소부의 주변에 배치된 주사회로를 갖고, 그 주사회로에 의해 화소부로부터 화소 데이타를 판독하는 것이 보급되어 있다.
구체적으로는, 증폭형 고체 촬상 장치로서는 화소부가 주변의 구동회로 및 신호처리회로와 일체화하기에 유리한 CM0S(Complementary Metal Oxide Semiconductor)에 의해 구성된 APS(Active Pixe1 Sensor)형 이미지센서가 알려져 있고, 특히, 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS형 트랜지스터(Tr)를 사용하여 PD+4Tr방식으로 한 APS형 이미지센서가 알려져 있다[예컨대, I.Inoue 등, IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Technical Digest, pp. 883-886(1999), 특허 공개 평9-46596호 공보 참조].
도 8은 배경기술에 따른 APS형 이미지센서의 1화소부를 나타내는 도면이다.
이 APS형 이미지센서는 광전 변환부로서 포토다이오드(81), 포토다이오드(81)에 축적한 신호전하를 전송하기 위한 전송트랜지스터(82), 증폭장치(83), 리셋부(84), 및 화소선택부(85)를 구비하고 있다.
또한, 도 8에 있어서, VR은 리셋 드레인 전원(일정 전압)이며, ØTX는 상기 전송트랜지스터(82)의 구동펄스이며, ØR은 리셋부(84)의 구동펄스이며, ØS는 화소선택부(85)의 구동펄스이다. 또한, Vsig는 수직신호선(87)으로부터 출력된 출력신호이다.
도 9는 구동펄스 ØR, 구동펄스 ØS 및 구동펄스 ØTX의 동작 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 배경기술의 APS형 이미지센서는 우선 리셋부 구동펄스 ØR이 기간 TR에 온(하이레벨)이 되고, 전하검출부(FD)의 전위를 VR로 리셋한다. 그리고, ØR이 온이 되는 동시 내지 그 후에 화소선택부 구동펄스 ØS가 온(하이레벨)이 되고, 기간 TA에 리셋된 전하검출부 전위를 증폭장치(83), 화소선택부 (85), 수직신호선(87)을 통해 출력신호 Vsig(R)로서 판독하게 되어 있다.
그 후, 전송트랜지스터 구동펄스 ØTX가 기간 TTX에 온(하이레벨)이 되고, 포토다이오드(81)로부터 전하검출부(FD)로 신호전하가 전송되게 되어 있다. 화소선택부 구동펄스 ØS가 온(하이레벨) 상태이기 때문에 전하전송된 전하검출부 전위를 증폭장치(83), 화소선택부(85) 및 수직신호선(87)을 통해 기간 TB에 출력신호 Vsig(S)로서 판독하게 되어 있다.
도 8에 도시된 배치에 있어서, 포토다이오드(81)를 매립형으로 해서 포토다이오드(81)로부터 전하검출부(FD)로의 신호전하 전송을 완전히 하면 노이즈가 현저히 감소하여 고화질의 화상을 얻을 수 있다.
그렇지만, 이것을 실현하기 위해서는 하기 과제가 존재한다.
도 10은 매립형 포토다이오드를 갖는 화소의 단면구성도와 그 포텐셜 분포도를 나타낸 것이다.
이 화소는 P형기판(101)과 P형기판(101) 상에 형성된 N형 광전 변환 축적부(102)와 이 N형 광전 변환 축적부(102)의 표면상에 형성된 고농도 P형 피닝층(pinning layer)(103)으로 이루어지는 매립형 포토다이오드를 갖는다. 또한, 이 화소는 매립형 포토다이오드로부터의 신호전하를 전송하는 전송게이트(106)와 전하검출부(104)를 P형기판(101) 위에 형성하고 있다. 전송게이트(106)에는 전송펄스 ØTX가, 전하검출부(104)에는 전위 VFD가 각각 인가되게 되어 있다.
전송펄스 ØTX는 보통 CM0S 구동회로로부터 공급되기 때문에 로우레벨이 GND, 하이레벨이 전원전압 VD이다. 또한, 그 때의 게이트 하의 채널 포텐셜은, 도 10에 도시된 바와 같이, Ψ0, Ψ1로 되어 있다.
여기서, CM0S 구동회로의 전원전압 VD는 고정이므로 큰 값이 되지 못하고, 또한, N형 광전 변환 축적부(102)의 공핍화 포텐셜 Ψd는 축적가능 전하량의 저하를 초래하기 때문에 얕게 할 수 없다.
따라서, 포텐셜의 대소관계가 Ψ1 < Ψd로 되어서 Ψ1로부터 Ψd의 포텐셜의 영역에 존재하는 전하 △Q가 잔류하여 포토다이오드에 전하 △Q를 완전전송하지 못하고, 노이즈가 발생해서 저노이즈화가 불가능함과 아울러 잔상현상을 야기하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 포토다이오드로부터 전하검출부로 신호전하를 완전히 전송할 수 있어 노이즈나 잔상이 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있는 증폭형 고체 촬상 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치는,
광전변환소자, 상기 광전변환소자로부터의 신호전하를 전송하는 전송트랜지스터, 및 상기 전송트랜지스터에 의해 전하검출부에 전송된 신호전하를 증폭하는 증폭장치를 갖는 화소부와;
제1기간 동안 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 제1게이트 전압으로 제어하여 상기 신호전하를 상기 광전변환소자로부터 상기 전하검출부로 전송시키고 상기 제1기간 후의 제2기간에 있어서 상기 전송트랜지스터의 게이트를 고임피던스로 함과 아울러 상기 제2기간 내에 있어서 상기 전송트렌지스터의 게이트 전압을 상기 제1게이트 전압보다도 상기 신호전하를 상기 전하검출부에 전송시키는 능력을 향상시키는 제2게이트 전압으로 제어하는 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 상기 제어장치는 제1기간 동안 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 제1게이트 전압으로 제어하여 상기 신호전하를 상기 광전변환소자로부터 상기 전하검출부로 전송시킨 후, 상기 제2기간 내에 있어서 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 상기 제1게이트 전압보다도 상기 신호전하를 상기 전하검출부로 전송시키는 능력을 향상시키는 제2게이트 전압으로 제어하게 되어 있다. 따라서, 상기 광전변환소자로부터 전하검출부로의 전하전송을 2단계에 걸쳐 행할 수 있어 상기 광전변환소자로부터 전하검출부로의 전하전송을 완전히 할 수 있으므로 노이즈나 잔상이 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있다.
또, 제1실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는 상기 광전변환소자가 매립형 포토다이오드이다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 광전변환소자가 매립형 포토다이오드이므로 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 제2게이트 전압으로 했을 때 포토다이오드를 완전히 공핍화하는 것이 용이해져 상기 광전변환소자로부터 전하검출부로의 전하전송을 촉진할 수 있다.
또, 제1실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는 상기 전하검출부와 제1커패시턴스를 통해 용량 결합한 구동신호선을 구비하고, 상기 제어장치는 상기 제2기간 내에 있어서 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 상기 제2게이트 전압으로 제어하는 제어신호를 상기 구동신호선으로 출력한다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 전하검출부와 구동신호선의 사이에 제1커패시턴스를 마련하고 있으므로, 이 제1커패시턴스를 풀업 커패시턴스(pull-up capacitance)[신호전하가 전자일 때] 또는 풀다운 커패시턴스(pull-down capacitance)[신호전하가 홀(hole)일 때]로서 이용할 수 있다. 따라서, 상기 구동신호선의 전위를 승압(신호전하가 전자일 때) 또는 강압(신호전하가 홀일 때)하는 것만으로 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 용이하게 상기 제2게이트 전압으로 할 수 있다.
또, 제1실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치는 상기 전송트랜지스터의 게이트와 상기 전하검출부의 사이에 제2커패시턴스를 접속하고 있다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 전송트랜지스터의 게이트와 상기 전하검출부의 사이에 제2커패시턴스를 접속하고 있으므로 상기 제2 기간 내에 상기 게이트의 전위와 상기 전하검출부의 전위 사이에 소정의 전위차를 생성할 수 있어 상기 제2기간 내에 상기 게이트 전압을 용이하게 제2게이트 전압으로 할 수 있다.
또, 제1실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 제어장치는 구동 회로부와 그 구동회로부를 제어하는 제어부를 구비하고: 상기 구동회로부는, 상기 전송트랜지스터의 게이트에 제1단자가 접속된 스위칭 M0S트랜지스터와; 상기 제1기간에 있어서 온이 되어서 상기 M0S트랜지스터의 게이트 단자를 그라운드에 접속하는 한편, 상기 제2기간에 있어서 오프가 되어서 MOS트랜지스터의 게이트 단자를 그라운드로부터 분리하는 제1스위칭소자; 상기 제1기간에 있어서 온이 되어서 상기 MOS트랜지스터의 제2단자를 전원에 접속하는 한편, 상기 제2기간에 오프가 되는 제2스위칭소자; 및 상기 제1기간에 있어서 오프가 되어서 상기 M0S트랜지스터의 제1단자와 게이트 단자를 분리하는 한편, 제2기간에는 온이 되어서 상기 MOS트랜지스터의 게이트 단자와 제1단자를 접속하는 제3스위칭소자를 구비하고; 상기 제2기간에 있어서 상기 제1스위칭소자 및 상기 제2스위칭소자가 오프가 됨으로써 상기 전송트랜지스터의 게이트를 고임피던스 상태로 한다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 제1기간에 있어서 상기 스위칭 M0S트랜지스터의 게이트는 그라운드에 접속되고, 상기 스위칭 M0S트랜지스터의 제2단자는 전원에 접속되고, 상기 스위칭 MOS트랜지스터의 게이트와 상기 스위칭 M0S트랜지스터의 상기 제1단자가 분리되어 있으므로, 상기 전원에 의해 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 용이하게 상기 제1게이트로 제어할 수 있다.
또, 상기 실시형태에 의하면, 상기 제2기간에 있어서 상기 스위칭 MOS트랜지스터의 게이트는 상기 스위칭 M0S트랜지스터의 제1단자와 접속되고, 상기 스위칭 MOS트랜지스터의 제2단자와 상기 전원이 분리되며, 상기 스위칭 M0S트랜지스터의 게이트와 상기 그라운드가 분리되어 있으므로, 상기 제2기간에 있어서 상기 스위칭 MOS트랜지스터의 게이트-제1단자 간에 전류가 흐르지 않도록 할 수 있어, 상기 전송트랜지스터의 게이트를 용이하게 고임피던스로 유지할 수 있다.
또, 제1실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 제어장치는 상기 전송트랜지스터의 게이트에 일단이 접속됨과 아울러, 상기 제1게이트 전압보다도 높은 전압이 타단으로부터 출력되는 것을 저지하는 전압 출력 저지 회로를 구비하고 있다.
상기 실시형태에 의하면, 상기 제1게이트 전압보다도 높은 전압이 상기 타단으로부터 출력되는 것을 저지하는 전압 출력 저지 회로를 구비하고 있으므로, 상기 제2기간 내에 있어서 상기 제1게이트 전압보다도 높은 전압이 상기 타단으로부터 출력될 일이 없이 상기 전압 출력 저지 회로의 타단측에서 오작동이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또, 제1실시형태의 증폭형 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 화소부가 복수의 매트릭스 상으로 배열된 수광영역이 형성되고, 상기 증폭장치는 입력측이 상기 전송트랜지스터의 출력측에 접속됨과 아울러 출력측이 출력신호선에 접속된 스위치드 커패시터 증폭기(switched capacitor amplifier)이며, 상기 제어장치는 상기 화소부의 각각에 있어서 상기 광전변환소자로부터의 신호를 상기 전송트랜지스터를 통해 상기 스위치드 커패시터 증폭기에서 판독하는 제어를 되풀이한다.
상기 실시형태에 의하면, 전하 전압 변환 게인을 상기 각 전송트랜지스터의 출력측이 되는 전하검출부 용량이 아니라 상기 스위치드 커패시터 증폭기의 입출력간에 삽입된 용량으로 결정할 수 있다. 따라서, 예컨대, 상기 구동신호선과 상기 전하검출부의 사이에 제1커패시턴스를 삽입해서 상기 전하검출부의 용량이 증대했다 하더라도 전하 전압 변환 게인이 저하하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 이하의 상세한 설명과 첨부도면으로부터 충분히 이해할 수 있을 것이다. 첨부도면은 설명을 위한 것일 뿐이고 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치를 도시된 실시형태에 의해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 의한 증폭형 고체 촬상 장치의 일부를 나타내는 회로도이다.
이 증폭형 고체 촬상 장치는 화소부(10)와 제어장치(15)를 구비한다.
상기 화소부(10)는 광전변환소자로서의 매립형 포토다이오드(1), 전송트랜지스터(2), 증폭장치(3), 리셋부(4), 선택부(5), 제1커패시턴스로서의 풀업 용량(6), 출력신호선(7), 및 전송신호선(9)을 구비한다.
상기 전송트랜지스터(2)는 포토다이오드(1)에 축적된 신호전하의 하나의 예로서의 전자를 전하검출부(FD)로 전송하게 되어 있다. 증폭장치(3)는 전송트랜지스터(2)로부터의 신호를 증폭하게 되어 있다. 또한, 상기 리셋부(4)는 전하검출부(FD)를 리셋전압 VR로 리셋하게 되어 있다. 선택부(5)는 증폭장치(3)로부터의 신호 판독을 선택하게 되어 있다. 또한, 상기 풀업 용량(6)은 전하검출부(FD)의 전위를 구동신호선(8)으로부터의 신호에 의해 풀업 하기 위한 용량이다. 출력신호선(7)은 선택부(5)에서 판독된 신호를 전송하게 되어 있고, 전송신호선(9)은 전송트랜지스 터(2)의 게이트에 전송신호를 인가하게 되어 있다.
또, 상기 전하검출부(FD)와 전송신호선(9)의 사이에는 제2커패시턴스로서의 승압용량(11)이 삽입되어 있다. 이것은 도 1에 점선으로 도시된 것으로부터도 명백한 바와 같이, 전송트랜지스터(2)의 게이트/소스간 용량이여도 좋고 별도로 형성한 것이어도 좋다. 또한, ØTX, ØR, ØS, 및 ØPU는, 각각, 전송트랜지스터(2), 리셋부(4), 선택부(5), 및 구동신호선(8)에 인가되는 신호이다. 또한, 모든 화소마다 이 모든 요소를 포함할 필요는 없다.
상기 제어장치(15)는 구동회로부(20)와 제어부(30)를 구비한다. 상기 구동회로부(20)는 전송신호선(9)을 통해 전송트랜지스터(2)로 송신신호를 제공하는 전송신호 발생 회로이며, 다음 세가지 상태를 선택할 수 있게 되어 있다. 상세하게는, 전송트랜지스터(2)가 오프상태(GND상태)인 제1상태와, 전송트랜지스터(2)가 제1하이레벨상태(VD상태)인 제2상태와, 전송트랜지스터(2)의 게이트가 고임피던스 상태(HiZ상태)인 제3상태를 선택할 수 있게 되어 있다.
VD상태에서 HiZ상태로 변화된 후, 구동신호선(8)에 하이레벨로 변화시키는 펄스가 인가되면 전하검출부(FD)의 전위는 승압용량(11)을 통해 제1하이레벨보다 한층 높은 제2하이레벨로 변화하게 되어 있다. 그리고, 상기 전송트랜지스터의 게이트가 제1하이레벨이 되는 기간 이후, 전위가 보다 높은 제2하이레벨로 되어, 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 2단계로 승압하여 상기 포토다이오드(1)로부터 전하검출부(FD)로의 전하전송을 완전히 하게 되어 있다. 또한, 상기 제어부(30)는 상기 동작을 실현하기 위해서 필요한 구동신호를 구동회로부(20) 및 구동신호선(8)에 적절히 공급하게 되어 있다.
도 2는 도 1에 도시된 구동회로부(20)의 제1실시형태를 나타낸다. 상세하게는, 도 2a는 상기 제1상태를 나타내고, 도 2b는 상기 제2상태를 나타내고, 도 2c는 상기 제3상태를 나타낸다. 도 2에 있어서, 참조번호 21은 P형MOS트랜지스터를 나타내고, 참조번호 22, 23 및 24는 상기 제어부(30)로부터 출력되는 펄스 Ø1, Ø2 및 Ø3에 의해 구동되는 제1, 제2 및 제3스위칭소자를 나타내고 있다.
도 2a, 2b 및 2c에 도시된 바와 같이, P형MOS트랜지스터(21)의 제1단자인 소스단자는 전송신호선(9)을 통해 전송트랜지스터(2)(도 1 참조)의 게이트에 접속되어 있다. 상기 제1스위칭소자(22)는 P형MOS트랜지스터(21)의 게이트 단자와 그라운드의 사이를 온(도통) 또는 오프(비도통)로 스위칭하도록 되어 있다. 또한, 상기 제2스위칭소자(23)는 P형MOS트랜지스터(21)의 제2단자인 드레인 단자와 전원전압 VD의 사이를 온(도통) 또는 오프(비도통)로 스위칭하도록 되어 있다. 또한, 상기 제3스위칭소자(24)는 P형MOS트랜지스터(21)의 게이트단자와 P형MOS트랜지스터(21)의 제1단자의 사이를 온(도통) 또는 오프(비도통)로 스위칭하도록 되어 있다.
도 3은 도 2의 각 상태에서의 동작을 설명하는 타이밍도이다.
이하 도 2 내지 도 3을 참조하여, 상기 화소부의 동작을 설명한다.
도 3에 있어서, 기간 T1에 있어서는 Ø1이 하이레벨(온), Ø2가 로우레벨(오 프), Ø3이 하이레벨(온)이 되어 있고 도 2a의 상태로 되어 있다. 이 때, 구동회로부(20)의 출력은 접지단자와 직접 연결되어, GND레벨(V0)이 된다.
제1기간인 기간 T2에 있어서는 Ø1이 하이레벨(온), Ø2가 하이레벨(온), Ø3이 로우레벨(오프)로 되어 있고, 도 2b의 상태로 된다. 이 때, 구동회로부(20)의 출력이 접지단자와는 분리되는 한편, P형M0S트랜지스터가 온이 되어서 그 입력측이 VD로 되고, 구동회로부(20)의 출력은 VD레벨(V1)이 된다. 따라서, 상기 전송트랜지스터(2)의 게이트 전압이 제1게이트 전압인 V1로 제어된다.
제2기간인 기간 T3에 있어서는 Ø1이 로우레벨(오프), Ø2가 로우레벨(오프), Ø3이 하이레벨(온)이 되어 있고, 도 2c의 상태로 되어 있다. 이 때, 구동회로부(20)의 입력측은 오픈이 되어, 어디에도 접속되지 않는 상태로 되어 있다. 또한, 구동회로부(20)의 출력측은 P형M0S트랜지스터의 게이트와 소스가 접속된 상태가 된다. 이 경우, P형M0S트랜지스터가 인핸스먼트(enhancement)형이면 소스 전위가 보통 때 이용할 수 있는 전원전압보다 높아져도 소스와 게이트의 사이에 전류가 흐르지 않고 오프상태를 유지한다. 따라서, 구동회로부(20)의 출력측을 고임피던스로 할 수 있어 상기 전송트랜지스터(2)의 게이트를 고임피던스로 할 수 있다.
상기 구동회로부(20)의 출력측이 고임피던스 상태인 제2기간 T3 내의 기간 Tpu에 있어서 상기 제어부(30)가 구동신호선(8)에 인가되는 펄스 ØPU의 전위를 올림 으로써 전송신호선(9)의 전위를 승압용량(11)을 통해 제1게이트 전압인 제1하이레벨 V1로부터 제2게이트 전압인 제2하이레벨 V2까지 승압하도록 되어 있다. 즉, 전송트랜지스터(2)의 게이트 전압을 제1게이트 전압보다도 신호전하인 전자를 전하검출부(FD)로 전송하는 능력이 향상된 제2게이트 전압으로 승압하여 전자를 완전히 전하검출부(FD)로 전송하게 하고 있다.
또한, 상기 이외의 동작에 대해서는 도 7과 마찬가지이다. 다시 말해, 기간 TR에서 리셋부 구동펄스 ØR이 온(하이레벨)이 되고, 전하검출부(FD)의 전위가 VR로 리셋된다. 또한, ØR이 온이되는 동시 또는 그 후에 화소선택부 구동펄스 ØS가 온(하이레벨)이 되고, 기간 TA에서 리셋된 전하검출부 전위가 증폭장치(3), 화소선택부(5), 및 출력신호선(수직신호선)(7)을 통해 출력신호 Vsig(R)로서 판독되게 되어 있다.
또, 기간 TX에 있어서는 상기한 바와 같이 2단계로 승압되어 포토다이오드(1)로부터 전하검출부(FD)로 신호전하가 완전히 전송되게 되어 있다. 그리고, 화소선택부 구동펄스 ØS가 온(하이레벨)상태임으로써 전하전송된 전하검출부 전위가 증폭장치(3), 화소선택부(5), 및 출력신호선(7)을 통해 기간 TB에서 출력신호 Vsig (S)로서 판독되게 되어 있다.
도 4는 구동회로부의 다른 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 4에 있어서, 구동회로부(40)는 전송신호선(49)에 신호 ØTX를 출력하게 되어 있다. 상기 구동회로부(40)는 GND의 인가를 제어함으로써 로우레벨을 실현하는 스위칭소자(45), VD의 인가를 제어함으로써 제1하이레벨을 실현하는 스위칭소자(46), 및 전송신호선(49)과 스위칭소자(46)의 사이에 접속됨과 아울러 제1게이트 전압 이상의 전압이 스위칭소자(46)에 인가되는 것을 저지하는 전압 출력 저지 회로(47)로 이루어져 있다.
도 5는 상기 구동회로부(40)의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
상기 기타 실시형태의 구동회로부(40)에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 기간 T1에 있어서는 Ø5가 하이레벨(온), Ø6이 로우레벨(오프)로 되어 전송신호선(49)으로 인가되는 ØTX의 전압은 GND전압 즉 V0로 되어 있다. 또한, 제1기간으로서의 기간 T2에 있어서는 Ø5이 로우레벨(오프), Ø6이 하이레벨(온)로 되어 전송신호선(49)에 인가되는 ØTX의 전압은 VD = V1 전압으로 되어 있다. 이와 같이 해서, 전송트랜지스터의 게이트 전압을 제1게이트 전압인 V1로 설정하고 있다. 또한, 제2기간으로서의 기간 T3에 있어서는 Ø5과 Ø6은 함께 로우레벨(오프)로 되어 전송신호선(49)은 고임피던스 상태로 되어 있다. 이 때, 전송신호선(49)과 용량결합한 구동신호선 ØPU의 전위를 상승시킴으로써 기간 T3 내에 있어서 ØTX 전압을 V2로 승압하게 하고 있다(전송트랜지스터의 게이트 전압을 제2게이트 전압인 V2로 설정하고 있 다). 여기에서, VD = V1 이상의 전압을 저지하는 전압 출력 저지 회로(47)가 없으면 VD의 인가를 제어하는 스위칭소자(46)로(이 스위치가 오프상태여도) VD 이상의 전압이 가해져 통상의 CM0S스위치에서는 오동작을 야기하게 된다. 전압 출력 저지 회로(47)를 삽입함으로써 이것을 방지하도록 하고 있다.
도 6은, 이 실시형태가 구비하는 하나의 화소의 단면구성과 그 포텐셜 분포도를 나타낸 것이다.
또한, 도 6에 있어서 도 10과 같은 참조 번호는 도 10과 동일한 구성 요소를 나타낸다.
이 화소는 P형기판(101)과, P형기판(101) 상에 형성된 N형 광전 변환 축적부(102)와 N형 광전 변환 축적부(102)의 표면에 형성된 고농도 P형 피닝층(103)으로 이루어지는 매립형 포토다이오드를 갖는다. 또한, 이 화소는 P형기판(101) 상에 매립형 포토다이오드로부터의 신호전하를 전송하는 전송게이트(106)와 전하검출부(104)를 형성하고 있다. 전송게이트(106)에는 전송펄스 ØTX가, 전하검출부(104)에는 전위 VFD가, 각각 인가되도록 되어 있다.
또, 이 화소는 도 10에 도시된 배경기술과는 다르고, 전하검출부(FD)에 풀업용량(6)을 통해 구동신호 ØPU가 인가되고, 또한, 전하검출부(FD)와 전송트랜지스터의 게이트(106)의 사이에는 승압용량(11)이 접속되어 있다. 또한, 전송트랜지스터의 게이트(106)에 인가되는 펄스 ØTX로서, 도 3에 ØTX로 도시되어 있는 물결 모양 의 펄스를 이용하고 있다.
구동신호 ØPU에 의해 전하검출부(FD) 전위가 초기 전위 VFD(1)로부터 VFD(2)까지 승압됨에 따라 전송펄스 ØTX는 접지 전위(VO)로부터 제1하이레벨(V1)까지 승압되고, 또한, 제2하이레벨(V2)까지 승압된다. 그리고, 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 그 때의 게이트 하의 채널 포텐셜을 각각 Ψ0, Ψ1, 및 Ψ2로 순차로 높게 할 수 있다. 따라서, 매립형 포토다이오드층(102)의 공핍화 포텐셜 Ψd에 대하여 Ψ2 > Ψd로 할 수 있어 포토다이오드에 잔류하는 전하를 전부 제거할 수 있으므로 전하를 완전히 전송할 수 있다. 따라서, 저노이즈화 할 수 있음과 아울러 잔상도 생기지 않도록 할 수 있어 고화질의 신호를 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 의한 화소부(60)를 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 화소부(60)가 광전변환소자로서의 매립형 포토다이오드(61), 이 포토다이오드(61)의 신호전하를 전하검출부(FD)로 전송하는 전송트랜지스터(62), 증폭장치로부터의 신호 판독을 선택하는 선택부(65), 전하검출부(FD)의 전위를 구동신호선(68)으로부터의 신호에 의해 풀업 하기 위한 용량(66), 선택부(65)에서 판독된 신호를 전송하는 출력신호선(67), 및 전송트랜지스터(62)로 전송신호를 인가하는 전송신호선(69)을 구비하는 점은 도 1에 참조번호 10으로 표시된 화소부와 마찬가지이다.
한편, 도 7에 도시된 화소부(60)는 증폭장치와 전하 전압 변환부가 도 1에 도시된 화소부(10)와 다르다. 상세하게는, 도 7에 도시된 화소부(60)에 있어서는 전송트랜지스터(62)의 출력측에 입력측이 접속되고, 출력측이 선택부(65)에 접속된 스위치드 커패시터 증폭부가 마련되어져 있다. 이 스위치드 커패시터 증폭부는 반전증폭기(72)와, 그 입출력 간에 접속된 신호축적용량(73)과, 리셋부(74)로 이루어져 있다. 반전증폭기(72)의 게인이 충분히 높을 경우, 포토다이오드(61)로부터 전송트랜지스터(62)를 통해 전송된 신호전하가 신호축적용량(73)에 축적되도록 되어 있다. 즉, 전하 전압 변환 게인은 신호축적용량(73)과 상관 관계가 있는[신호축적용량(73)으로 결정되는] 한편, 전송트랜지스터(62)의 출력측 용량에는 의존하지 않게 되고 있다. 이것 때문에, 상기 전송신호선(69)의 전위를 승압하기 위해서, 전하검출부(FD)의 전위를 구동신호선(68)으로부터의 신호에 의해 풀업하기 위한 용량(66)이 삽입됨과 아울러, 전하검출부(FD)와 전송신호선(69)의 사이에 용량(71)이 삽입되어 전하검출부(FD) 용량이 증대해도 전하 전압 변환 게인이 저하되지 않도록 되어 있다.
또한, 상기 실시형태에서는 신호전하로서 전자를 채용했지만 본 발명에서는 포토다이오드, M0S트랜지스터, 각 불순물층, 구동전압 등, 모든 극성을 반대로 해서 신호전하로서 정공을 채용해도 좋은것은 물론이다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 이는 다양하게 변경해도 좋은 것은 명백하다. 그러한 변경은 본 발명의 정신과 범위에서의 일탈로 간주되어서는 안되고 당업자에 있어서 자명한 변경은 모두 이하 계속되는 청구범위 내에 포함되는 것이다.
본 발명의 증폭형 고체 촬상 장치에 의하면, 제어장치는 제1기간 동안 전송트랜지스터의 게이트 전압을 제1게이트 전압으로 제어하여 신호전하(전자 또는 홀)를 광전변환소자로부터 전하검출부로 전송시킨 후, 제2기간 내에 있어서 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 상기 제1게이트 전압보다도 상기 신호전하를 상기 전하검출부에 전송시키는 능력을 향상시키는 제2게이트 전압으로 제어하게 되어 있다. 따라서, 상기 광전변환소자로부터 상기 전하검출부로의 전하전송을 2단계에 걸쳐 행할 수 있어 상기 광전변환소자로부터 상기 전하검출부로의 전하전송을 완전히 할 수 있으므로 노이즈나 잔상이 적은 고화질의 화상을 얻을 수 있다.

Claims (7)

  1. 광전변환소자, 상기 광전변환소자로부터의 신호전하를 전송하는 전송트랜지스터, 및 상기 전송트랜지스터에 의해 전하검출부로 전송된 신호전하를 증폭하는 증폭장치를 갖는 화소부; 및
    제1기간 동안 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 제1게이트 전압으로 제어하여 상기 신호전하를 상기 광전변환소자로부터 상기 전하검출부로 전송시키고, 상기 제1기간 후의 제2기간에 있어서 상기 전송트랜지스터의 게이트를 고임피던스로 함과 아울러 상기 제2기간 내에 있어서 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 상기 제1게이트 전압보다도 상기 신호전하를 상기 전하검출부로 전송시키는 능력을 향상시키는 제2게이트 전압으로 제어하는 제어장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전변환소자는 매립형 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하검출부와 제1커패시턴스를 통해 용량결합한 구동신호선을 구비하고,
    상기 제어장치는 상기 제2기간 내에 있어서 상기 전송트랜지스터의 게이트 전압을 상기 제2게이트 전압으로 제어하는 제어 신호를 상기 구동신호선으로 출력하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송트랜지스터의 게이트와 상기 전하검출부의 사이에 제2커패시턴스를 접속한 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는 구동회로부와 그 구동회로부를 제어하는 제어부를 구비하고:
    상기 구동회로부는,
    상기 전송트랜지스터의 게이트에 제1단자가 접속된 스위치M0S트랜지스터;
    상기 제1기간에 있어서 온이 되어서 상기 M0S트랜지스터의 게이트 단자를 그라운드에 접속하는 한편, 상기 제2기간에 있어서 오프가 되어서 상기 MOS트랜지스터의 게이트 단자를 그라운드로부터 분리하는 제1스위칭소자;
    상기 제1기간에 있어서 온이 되어서 상기 MOS트랜지스터의 제2단자를 전원에 접속하는 한편, 상기 제2기간에 오프가 되는 제2스위칭소자; 및
    상기 제1기간에 있어서 오프가 되어서 상기 M0S트랜지스터의 제1단자와 게이트 단자를 분리하는 한편, 제2기간에는 온이 되어서 상기 MOS트랜지스터의 게이트 단자와 제1단자를 접속하는 제3스위칭소자를 구비하고;
    상기 제2기간에 있어서 상기 제1스위칭소자 및 상기 제2스위칭소자가 오프가 됨으로써 상기 전송트랜지스터의 게이트를 고임피던스 상태로 하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 전송트랜지스터의 게이트에 일단이 접속됨과 아울러, 상기 제1게이트 전압보다도 높은 전압이 타단으로부터 출력되는 것을 저지하는 전압 출력 저지 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 화소부가 복수의 매트릭스 상으로 배열된 수광영역이 형성되고,
    상기 증폭장치는 입력측이 상기 전송트랜지스터의 출력측에 접속됨과 아울러, 출력측이 출력신호선에 접속된 스위치드 커패시터 증폭기이며,
    상기 제어장치는 상기 화소부의 각각에 있어서 상기 광전변환소자로부터의 신호를 상기 전송트랜지스터를 통해 상기 스위치드 커패시터 증폭기에서 판독하는 제어를 되풀이하는 것을 특징으로 하는 증폭형 고체 촬상 장치.
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4421353B2 (ja) * 2004-04-01 2010-02-24 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置
JP2006042121A (ja) * 2004-07-29 2006-02-09 Sharp Corp 増幅型固体撮像装置
US7675015B2 (en) * 2004-11-08 2010-03-09 Samsung Electronics Co., Ltd. CMOS image sensor with boosted voltage signal and related method of operation
KR100672993B1 (ko) * 2005-01-19 2007-01-24 삼성전자주식회사 자가 승압 기능을 갖는 이미지 센서, 자가 승압 방법 및상기 이미지 센서 형성 방법
JP4979195B2 (ja) * 2005-02-21 2012-07-18 ソニー株式会社 固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法および撮像装置
KR100744119B1 (ko) 2005-12-24 2007-08-01 삼성전자주식회사 부스팅 커패시터를 갖는 픽셀 회로, 그 픽셀 회로의 구동방법 및 그 픽셀 회로를 구비하는 이미지 센서
JP2009284015A (ja) * 2008-05-19 2009-12-03 Panasonic Corp 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法
US20100252717A1 (en) * 2008-09-29 2010-10-07 Benoit Dupont Active-pixel sensor
JP5535685B2 (ja) * 2010-02-26 2014-07-02 パナソニック株式会社 固体撮像装置及び駆動方法
JP5511541B2 (ja) * 2010-06-24 2014-06-04 キヤノン株式会社 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法
JP5744543B2 (ja) * 2011-01-31 2015-07-08 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システム、および撮像装置の駆動方法
WO2014007107A1 (ja) * 2012-07-03 2014-01-09 ソニー株式会社 固体撮像装置、駆動方法、および電子機器
DE102016207398B3 (de) * 2015-09-09 2016-08-18 Koenig & Bauer Ag Maschinenanordnung zum sequentiellen Bearbeiten mehrerer bogenförmiger jeweils eine Vorderseite und eine Rückseite aufweisender Substrate
KR102436350B1 (ko) 2018-01-23 2022-08-24 삼성전자주식회사 이미지 센서
US11112302B2 (en) * 2019-03-03 2021-09-07 Novatek Microelectronics Corp. Method of switching control voltage of photo sensor cell and related switching circuit and photo sensor

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
JP2871640B2 (ja) * 1996-12-18 1999-03-17 日本電気株式会社 固体撮像素子の駆動方法
JP3466886B2 (ja) 1997-10-06 2003-11-17 キヤノン株式会社 固体撮像装置
JP3871439B2 (ja) * 1998-06-05 2007-01-24 松下電器産業株式会社 固体撮像装置およびその駆動方法
US6587142B1 (en) * 1998-09-09 2003-07-01 Pictos Technologies, Inc. Low-noise active-pixel sensor for imaging arrays with high speed row reset
JP2001085658A (ja) 1999-09-09 2001-03-30 Sony Corp 固体撮像装置
US6635857B1 (en) * 2000-07-10 2003-10-21 National Semiconductor Corporation Method and apparatus for a pixel cell architecture having high sensitivity, low lag and electronic shutter
JP3667214B2 (ja) * 2000-08-25 2005-07-06 キヤノン株式会社 固体撮像装置およびその駆動方法
JP4309639B2 (ja) 2002-02-01 2009-08-05 日本放送協会 固体撮像装置およびその画素信号の読み出し方法
JP4025586B2 (ja) 2002-06-14 2007-12-19 日本放送協会 固体撮像装置
JP2006042121A (ja) * 2004-07-29 2006-02-09 Sharp Corp 増幅型固体撮像装置

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CN100401752C (zh) 2008-07-09

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