KR20060073957A - 고체 촬상 장치 및 카메라 시스템 - Google Patents

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Abstract

비선택 행으로부터의 노이즈를 작게 할 수 있어, 밝은 신에서의 세로줄의 발생을 억제할 수 있으며, 또한 리세트 트랜지스터를 통하여 플로팅 노드 용량을 포함하여 충전할 필요가 없고, 드레인선의 드라이버 크기의 증대를 방지할 수 있어, 고속 동작을 확보할 수 있는 고체 촬상 장치 및 이것을 촬상 디바이스로서 이용한 카메라 시스템을 제공한다. 포토 다이오드(11), 포토 다이오드(11)의 신호를 플로팅 노드(N11)에 전송하는 전송 트랜지스터(12), 플로팅 노드(N11)의 신호를 수직 신호선(22)에 출력하는 증폭 트랜지스터(13) 및 플로팅 노드(N11)를 리세트하기 위한 리세트 트랜지스터(14)를 갖는 단위 화소(10)가 행렬 형상으로 배열된 MOS형 고체 촬상 장치에서, 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전압을 전원 전위(예를 들면 3V), 그라운드 전위(0V), 부전원 전위(예를 들면 -1V)의 3값에 의해 제어한다.
고체 촬상 장치, 카메라 시스템, 단위 화소, 전송 트랜지스터, 포토 다이오드

Description

고체 촬상 장치 및 카메라 시스템{SOLID-STATE IMAGING DEVICE AND CAMERA SYSTEM}
본 발명은 고체 촬상 장치 및 카메라 시스템에 관한 것으로, 특히 MOS형 고체 촬상 장치로 대표되는 X-Y 어드레스형 고체 촬상 장치 및 이것을 촬상 디바이스로서 사용한 카메라 시스템에 관한 것이다.
X-Y 어드레스형 고체 촬상 장치, 예를 들면 MOS형 고체 촬상 장치로서, 단위 화소가 3트랜지스터로 이루어지고, 이 단위 화소가 행렬 형상으로 다수개 배열되어 이루어지는 구성의 것이 알려져 있다.
이 경우의 단위 화소의 구성을 도 1에 도시한다. 도 1로부터 알 수 있듯이, 단위 화소(100)는 포토 다이오드(PD)(101), 전송 트랜지스터(102), 증폭 트랜지스터(103) 및 리세트 트랜지스터(104)를 갖는다.
상기한 화소 구성을 채용한 MOS형 고체 촬상 장치에서는, 행이 비선택인 기간에는 드레인선(105)으로부터 리세트 트랜지스터(104)를 통하여 플로팅 노드(N101)의 전위를 저레벨(이하, L레벨이라 함)로 하여 두고, 행을 선택할 때에는 플로팅 노드(N101)의 전위를 고레벨(이하, H레벨이라 함)로 하는 동작이 행해진다.
이와 같은 MOS형 고체 촬상 장치에서는, 리세트 트랜지스터(104)는 디플리션 형을 사용하고 있다. 이것은 리세트 트랜지스터(104)가 온일 때에, 화소부의 전원으로 되는 드레인 전압과 플로팅 노드(101)의 전위를 편차없이 일치시키기 위함이다.
따라서, 리세트 트랜지스터(104)가 온일 때의 플로팅 노드 전위는 드레인선의 전위 레벨과 일치한다. 드레인선의 전위 레벨로서, 구체적으로는 예를 들면 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, H레벨이 전원 전위 VDD이고, L레벨이 0.4∼0.7V로 된다(L레벨이 0V이어도 됨).
여기서, 플로팅 노드의 전위에 대하여, 선택 행과 비선택 행에 대하여 각각 고찰한다.
먼저, 선택 행의 동작에 대하여 고찰한다.
드레인선이 H레벨로 설정된 후, 리세트 트랜지스터, 전송 트랜지스터를 순차적으로 오프→온→오프로 하고, 리세트상 전위와 데이터상 전위를 출력한다. 상관 2중 샘플링(CDS) 회로를 통하여 이 신호의 차분을 광 신호로서 출력한다.
데이터상 전위의 취득 시에, 포토 다이오드의 전하를 플로팅 노드로 전송하면, 플로팅 노드 전위가 저하된다.
다음으로, 비선택 행에 대하여 고찰한다.
리세트 트랜지스터 및 전송 트랜지스터의 양자가 오프 상태 그대로이고, 드레인선만이 H레벨과 L레벨의 값을 반복한다.
특허문헌 1: 일본 특허공개 2002-51263호 공보
<발명의 개시>
<발명이 해결하고자 하는 과제>
그런데, 종래의 MOS형 고체 촬상 장치에서는, 리세트 트랜지스터가 디플레션 구조를 채용하기 때문에, 리세트 트랜지스터가 오프 상태(비선택 행)에서도, 리크 전류에 의해, 플로팅 노드 전위가 상승한다(임계값 전압 Vth가 -1V일 때, 플로팅 노드 전위는 1V정도).
한편, 선택 행에서 데이터상의 플로팅 노드 전위는 리세트상의 플로팅 노드 전위의 전위에 비하여 낮아진다. 이것이 특히 광량이 큰 경우에는 전압이 크게 변화(저하)하고, 비선택 행의 플로팅 노드와의 전위차가 작아진다.
그 결과, 비선택 행에 대하여 높은 전위로 설정될 선택 행으로부터의 전위 신호를 판독하는 것이, 이 전위차가 명확해지지 않기 때문에, 비선택 행으로부터의 노이즈가 커지고, 그 결과, 밝은 신(scene)에서의 세로줄이 발생하는 문제가 있었다.
또한, 마찬가지로 리세트 트랜지스터가 디플레션 구조를 채용하는 것에 기인하여, 드레인 배선의 구동 회로로부터는, 리세트 트랜지스터를 통하여 플로팅 노드의 용량 성분의 영향이 보인다. 드레인 배선이 전체 화소에 공통으로 접속되어 있는 경우에는 전체 화소의 드레인 배선 용량뿐만 아니라, 리세트 트랜지스터를 통하여 플로팅 노드 용량을 포함하여 충전할 필요가 발생하고, 드레인선의 드라이버 크기면에서도, 고속성의 면에서도 문제되고 있었다.
본 발명의 목적은 비선택 행으로부터의 노이즈를 작게 할 수 있으며, 밝은 신에서의 세로줄의 발생을 억제할 수 있으며, 또한 리세트 트랜지스터를 통하여 플 로팅 노드 용량을 포함하여 충전할 필요가 없고, 드레인선의 드라이버 크기의 증대를 방지할 수 있어, 고속 동작을 확보할 수 있는 고체 촬상 장치 및 이것을 촬상 디바이스로서 사용한 카메라 시스템을 제공하는데 있다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 관점에 따른 고체 촬상 장치는 촬상 영역 내에 형성된 복수개의 단위 화소를 가지며, 상기 단위 화소는 입사 광량에 따라 전하를 생성하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부의 신호를 플로팅 노드에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드의 신호를 신호선에 출력하는 증폭 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드를 리세트하는 리세트 트랜지스터를 갖고, 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 공급되는 복수개의 전위 중 적어도 1개가, 부전위이다.
본 발명의 제2 관점에 따른 고체 촬상 장치는 촬상 영역 내에 형성된 복수개의 단위 화소를 가지며, 상기 단위 화소는 입사 광량에 따라 전하를 생성하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부의 신호를 플로팅 노드에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드의 신호를 신호선에 출력하는 증폭 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드를 리세트하는 리세트 트랜지스터와, 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 3종류 이상의 전위를 공급 가능한 수단을 갖는다.
바람직하게는, 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 공급하는 적어도 3종류 이상의 전위 중에서 적어도 1종류의 전위의 전압이 부전위이다.
바람직하게는, 상기 리세트 트랜지스터를 온 상태로부터 오프 상태로 할 때 의 게이트 전위를, 플러스의 하이 레벨 전원 전위로부터, 그라운드 레벨 전원 전위를 거쳐, 부전원 전위로 설정 가능한 수단을 갖는다.
또한, 바람직하게는, 프리차지상 및 데이터상의 샘플 홀드의 양자의 타이밍에서, 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전위가 그라운드 전위로 설정되어 있다.
또한, 바람직하게는, 이 선택 화소의 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전위가 그라운드 전위로 설정되어 있는 기간 동안은, 비선택 화소의 리세트 트랜지스터의 게이트 전위는 부전위이다.
바람직하게는, 상기 신호선을 경유하여 출력된 신호를 처리하는 칩을 갖는다.
본 발명의 제3 관점에 따른 카메라 시스템은 단위 화소가, 입사 광량에 따라 전하를 생성하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부의 신호를 플로팅 노드에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드의 신호를 신호선에 출력하는 증폭 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드를 리세트하는 리세트 트랜지스터를 갖고, 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 공급되는 복수개의 전위 중 적어도 1개가, 부전위인 고체 촬상 장치와, 상기 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 유도하는 광학계와, 상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 갖는다.
본 발명의 제4 관점에 따른 카메라 시스템은, 단위 화소가, 입사 광량에 따라 전하를 생성하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부의 신호를 플로팅 노드에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드의 신호를 신호선에 출력하는 증폭 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드를 리세트하는 리세트 트랜지스터와, 상기 리세트 트 랜지스터의 게이트 전극에 3종류 이상의 전위를 공급 가능한 수단을 갖는 고체 촬상 장치와, 상기 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 유도하는 광학계와, 상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 갖는다.
본 발명에 따르면, 비선택 시의 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 부전위를 인가한다. 이에 따라, 공통 드레인 전원의 상승 시간이, 디플리션형 리세트 트랜지스터를 통한 플로팅 노드 용량의 영향을 받지 않게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 리세트 트랜지스터의 게이트 전압을 전원 전위, 그라운드 전위, 부전원 전위의 3값에 의해 제어한다.
예를 들면, 리세트 트랜지스터를 온→오프할 때의 게이트 전극의 전압을, 전원 전위로부터 부전원 전위로 직접적으로 게이트 전위를 변화시키는 대신에, 전원 전위로부터 한번 그라운드 전위로 유지하고, 그라운드 전위로 충방전을 한번 행한 후, 부전원 전위로 전위를 설정한다.
(발명의 효과)
본 발명에 따르면, 비선택 행으로부터의 노이즈를 작게 할 수 있어, 밝은 신에서의 세로줄의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 리세트 트랜지스터를 통하여 플로팅 노드 용량을 포함하여 충전을 행할 필요가 없고, 드레인선의 드라이버 크기의 증대를 방지할 수 있어, 고속 동작을 확보할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술의 과제를 설명하기 위한 단위 화소의 구성도.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 예를 들면 MOS형 고체 촬상 장치의 구성예를 나타낸 회로도.
도 3은 리세트 트랜지스터의 게이트 전압을 VRST+(플러스측)에서 동작시킨 경우의, 선택 행 및 비선택 행에서의 리세트 트랜지스터의 게이트 전위, 전송 트랜지스터의 게이트 전위, 공통 드레인 전원 전위, 플로팅 노드 전위를 나타낸 도면.
도 4는 리세트 트랜지스터의 게이트 전압을 VRST+(플러스측)과 VRST-(마이너스측)의 2값에서 동작시킨 경우의, 선택 행 및 비선택 행에서의 리세트 트랜지스터의 게이트 전위, 전송 트랜지스터의 게이트 전위, 공통 드레인 전원 전위, 플로팅 노드 전위를 나타낸 도면.
도 5는 리세트 트랜지스터의 게이트 전압을 3값 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 리세트 트랜지스터의 게이트 전압을 3값 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 부전위를 이용하면서 프리차지상과 데이터상의 샘플 홀드를 그라운드 전위로 설정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 7은 리세트 트랜지스터를 오프로 할 때에, 그라운드 레벨을 경유하여 부전위로 하는 방법과, 샘플 홀드의 타이밍을 그라운드 레벨로 하는 방법을 복합시킨 방법을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 카메라 시스템의 구성의 일례를 도시한 블록도.
<부호의 설명>
10 : 단위 화소
11 : 포토 다이오드
12 : 전송 트랜지스터
13 : 증폭 트랜지스터
14 : 리세트 트랜지스터
22 : 수직 신호선
23 : 드레인선
24 : 리세트선
25 : V 시프트 레지스터
26 : P형 MOS 트랜지스터
31 : 샘플 홀드/CDS 회로
32 : 수평 신호선
34 : H 시트프 레지스터
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 예를 들면 MOS형 고체 촬상 장치의 구성예를 나타낸 회로도이다. 또한, MOS형 고체 촬상 장치에서는, 다수개의 단위 화소가 행렬 형상으로 배열되게 되는데, 여기서는, 도면을 간략화하기 위하여, 2행×2열의 화소 배열로 나타내고 있다.
도 2에서, 단위 화소(10)는 광전 변환부를 형성하는, 예를 들면 포토 다이오드(11) 이외에, 전송 트랜지스터(12), 증폭 트랜지스터(13) 및 리세트 트랜지스터 (14)의 3개의 N형 MOS 트랜지스터를 갖는 3트랜지스터 구성으로 되어 있다.
이러한 화소 구성에서, 포토 다이오드(11)는 입사광을 그 광량에 따른 전하량의 신호 전하(예를 들면 전자)로 광전 변환하여 축적한다.
전송 트랜지스터(12)는 포토 다이오드(11)의 캐소드와 플로팅 노드(N11) 사이에 접속되고, 게이트가 수직 선택선(12)에 접속되어 있으며, 도통(온)됨으로써, 포토 다이오드(11)에 축적되어 있는 신호 전하를 플로팅 노드(N11)에 전송하는 기능을 갖고 있다.
증폭 트랜지스터(13)는 수직 신호선(22)과 전원(Vdd) 사이에 접속되고, 게이트가 플로팅 노드(N11)에 접속되어 있으며, 플로팅 노드(N11)의 전위를 수직 신호선(22)에 출력하는 기능을 갖고 있다.
리세트 트랜지스터(14)는 드레인(한 쪽의 메인 전극)이 드레인선(배선)(23)에, 소스(다른 쪽의 메인 전극)이 플로팅 노드(N11)에 접속되고, 게이트가 리세트선(24)에 접속되어 있으며, 플로팅 노드(N11)의 전위를 리세트하는 기능을 갖고 있다.
이 단위 화소(10)가 행렬 형상으로 배치되어 이루어지는 화소 영역(촬상 영역)에서, 수직 선택선(21), 드레인선(23) 및 리세트선(24)의 3개의 선은 화소 배열의 각 행마다 수평(H) 방향(도면의 좌우 방향)으로 배선되어 있으며, 수직 신호선(22)은 각 열마다 수직(V) 방향(도면의 상하 방향)으로 배선되어 있다.
그리고, 수직 선택선(21), 드레인선(23) 및 리세트선(24)은 수직 구동 회로(VDRV)를 구성하는 V 시프트 레지스터(VSFR)(25)에 의해 구동된다.
수직 선택선(21) 및 리세트선(24)은 V 시프트 레지스터(25)의 수직 선택 펄스(T) 및 리세트 펄스(R)를 출력하는 각 출력단에 각 행마다 직접 접속되어 있다. 드레인선(23)은 V 시프트 레지스터(25)의 리세트 전압 출력단에 대하여 각 행마다 P형 MOS 트랜지스터(26)를 통하여 접속되어 있다. P형 MOS 트랜지스터(26)의 게이트는 접지되어 있다.
본 실시예에서는, V 시프트 레지스터(25)는 드레인선(23)을 통하여 리세트 트랜지스터(14)를 3값((4값)이상이어도 됨)으로 구동함으로써, 선택 행과 비선택 행의 플로팅 노드(ND11)의 전위에 전위차를 설정하고, 2개의 선택 행과 비선택 행의 동작을 명확히 한다.
예를 들면 본 실시예에서는, 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전극에 공급하는 전위 중 하나가, 적어도 부전위이다.
또한, 예를 들면 V 시프트 레지스터(25)는 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전극에 공급하는 적어도 3종류 이상의 전위 중 적어도 1종류의 전위의 전압을 부전위로서 공급한다.
또한, V 시프트 레지스터(25)는 리세트 트랜지스터(14)를 온 상태로부터 오프 상태로 할 때의 게이트 전위를, 플러스의 하이 레벨 전원 전위로부터, 그라운드 레벨, 전원 전위를 거쳐 부전원 전위로 설정하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시예에서는, 프리차지상 및 데이터상의 샘플 홀드의 양자의 타이밍에서, 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전위가 그라운드 전위로 설정되어 있다.
그리고, V 시프트 레지스터(25)는 선택 화소의 리세트 트랜지스터(14)의 게 이트 전위가 그라운드 전위로 설정되어 있는 기간 동안에는, 비선택 화소의 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전위는 부전위로 한다.
이 리세트 트랜지스터(14)의 구동 동작에 대해서는 후에 더욱 상세히 설명한다.
상기 화소 영역의 수직 방향(도면의 상하 방향)으로 한 쪽측에서, 각 열마다, 수직 신호선(22)의 일단과 그라운드 사이에 N형 MOS 트랜지스터로 이루어지는 부하 트랜지스터(27)가 접속되어 있다. 이 부하 트랜지스터(27)는 그 게이트가 로드(load)선(28)에 접속되어 정전류원의 역할을 한다.
화소 영역의 수직 방향의 다른 쪽측에서, 수직 신호선(22)의 타단에는 N형 MOS 트랜지스터로 이루어지는 샘플 홀드(SH) 스위치(29)의 일단(한 쪽의 메인 전극)이 접속되어 있다. 이 샘플 홀드 스위치(29)의 제어단(게이트)은 SH선(30)에 접속되어 있다.
샘플 홀드 스위치(29)의 타단(다른 쪽의 주전극)에는 샘플 홀드(SH)/CDS(Correlated Double Sampling) 회로(31)의 입력단이 접속되어 있다.
샘플 홀드/CDS 회로(31)는 수직 신호선(22)의 전위(Vsig)를 샘플 홀드하고, 상관 이중 샘플링(CDS)을 행하는 회로이다.
여기서, 상관 이중 샘플링이란, 시계열로 입력되는 2개의 전압 신호를 샘플링하여 그 차분을 출력하는 처리를 말한다.
샘플 홀드/CDS 회로(31)의 출력단과 수평 신호선(32) 사이에는 N형 MOS 트랜지스터로 이루어지는 수평 선택 스위치(33)가 접속되어 있다.
이 수평 선택 스위치(33)의 제어단(게이트)에는 수평 구동 회로(HDRV)를 구성하는 H 시프트 레지스터(HSFR)(34)로부터 수평 주사 시에 순차적으로 출력되는 수평 주사 펄스 H(H1, H2,…)가 부여된다.
수평 주사 펄스(H)가 부여되고, 수평 선택 스위치(33)가 온됨으로써, 샘플 홀드/CDS 회로(31)에서 상관 이중 샘플링(CDS)된 신호가 수평 선택 스위치(33)를 통해 수평 신호선(32)에 읽어내어진다.
이 읽어내어진 신호(Hsig)는 수평 신호선(35)의 일단에 접속된 출력 앰프(35)를 통하여 출력 단자(36)로부터 출력 신호(Vout)로서 도출된다.
이하에, 본 실시예에서의 리세트 트랜지스터(14)의 구동 전위(게이트 전위)의 몇가지 설정 방법, 및 이들의 효과에 대하여, 종래 회로와의 비교를 포함하여 설명한다.
(제1 설정 방법)
이 방법에서는, 비선택 시의 리세트 트랜지스터(140)의 게이트 전극에 부전위를 인가할 수 있도록 함으로써, 종래의 과제를 해결할 수 있다.
도 3의 (A) 내지 (G) 및 도 4의 (A) 내지 (G)는 리세트 트랜지스터의 게이트 전압을 VRST+(플러스측)와 VRST-(마이너스측)의 2값으로 동작시킨 경우의, 선택 행 및 비선택 행에서의 리세트 트랜지스터의 게이트 전위(RST선)(V24), 전송 트랜지스터(12)의 게이트 전위(TR선)(V21), 공통 드레인 전원 전위(V23), 플로팅 노드 전위(VN11)를 나타낸 도면이다.
도 3의 (A) 내지 (G)가 리세트 트랜지스터의 게이트 전압을 VRST+(플러스측) 에서 동작시킨 경우, 도 4의 (A) 내지 (G)가 본 실시예에 따른 리세트 트랜지스터의 게이트 전압을 VRST-(마이너스측)에서 동작시킨 경우를 나타낸다.
또한, 도 3에서, 비교를 위하여, 종래와 같이(리세트 트랜지스터의 게이트 전압을 VRST+(플러스측)과 VRST0(제로 전위))의 2값 동작에서의 플로팅 노드 전위도 아울러 나타낸다.
종래의 회로에서는, 도 3의 (A) 내지 (G)에 나타낸 바와 같이, 공통 드레인 전위의 상승 시간 t1이, 디플리션형의 리세트 트랜지스터(14)를 통한 플로팅 노드 용량의 영향을 받아, 긴 것으로 되어 있었다.
그런데, 본 실시예에 따른 방법에 따르면, 도 4의 (A) 내지 (G)에 나타낸 바와 같이, 디플리션형 리세트 트랜지스터(14)를 사용한 경우에도, 그 리세트 트랜지스터(14)를 통한 전기적인 접속이 작게 억제된다.
이 때문에, 공통 드레인 전원의 상승 시간 t1이 짧아진다. 또는, 드레인 전원의 드라이버의 크기가 작아진다. 이에 따라, 고속 동작과 칩 크기의 소형화를 실현할 수 있다.
또한 종래의 회로에서는, 도 3의 (A) 내지 (G)에 나타낸 바와 같이, 비선택 행의 플로팅 노드 전위는 디플리션형의 리세트 트랜지스터를 통한 리크의 영향에 의해, 공통 드레인 전원의 영향을 받아서 데이터상의 샘플링 시간에서 상승하고, 선택 행과 비선택 행의 전위차가 작아지는 방향으로 작용하고 있었다.
그런데, 본 실시예에 따른 방법에 따르면, 도 4의 (A) 내지 (G)에 나타낸 바와 같이, 디플리션형의 리세트 트랜지스터(14)를 통한 전기적인 결합이 억제되기 때문에, 비선택 행의 플로팅 노드 전위가 공통 드레인선의 전위에 따라 변동(상승)하지 않는다.
따라서, 데이터상의 샘플링의 타이밍에서 선택 행과 비선택 행의 플로팅 노드 전위의 차이를 명확히 할 수 있다.
그 결과, 광량이 클 때에도 포화 세로줄의 발생을 억제시킬 수 있다.
(제2 설정 방법)
이 방법에서는, 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전압을 전원 전위(예를 들면 3V), 그라운드 전위(0V), 부전원 전위(예를 들면, -1V)의 3값을 제어하는 기능을 탑재함으로써, 종래의 과제를 해결할 수 있다.
상술한 바와 같이, MOS형 고체 촬상 장치에서는 리세트 트랜지스터로서는 디플리션형을 사용하고 있다. 이에 따라, 리세트 트랜지스터가 온일 때에 그 리세트 편차를 저감할 수 있다는 메리트가 있다.
한편, 이 때, 첫째로 비선택 행과 선택 행의 플로팅 노드 전위의 차이가 명확해지지 않는다는 것, 둘째로 공통 드레인 전원의 입장에서는 고속성 및 칩 크기의 문제가 있었다.
따라서, 본 실시예에서는, 비선택 행의 리세트 트랜지스터의 L 레벨 전위를 부전위로 설정한다.
MOS형 고체 촬상 장치에 부전위를 공급하기 위해서는, 외부 전원으로부터 공급하는 방법과, 내부 회로에서 부전위를 발생시키는 방법의 2종류를 생각할 수 있다.
종래의 리세트 트랜지스터의 게이트의 진폭(전원 전위와 그라운드 전위의 진폭)에 비하여, 상기 방법에 따른 부전위를 사용하는 경우에는 그 진폭이 커지기 때문에, 회로의 충방전의 전하량이 크고, 각 전위 발생 회로(또는 전원)에 부담이 작용할 우려가 있다.
또한, 이 때문에 부전위를 내부에 생성하는 회로에서는, 진폭분만큼의 전하 공급 능력을 크게 할 필요가 있으며, 이 때문에 칩 크기가 증대된다.
특히, 내부 회로에서 발생시키는 부전원의 경우에는, 발생 전위에 회로 노이즈가 중첩된다. 부전원 전위의 공급처인 리세트 트랜지스터(14)의 게이트는 플로팅 노드(N11)와 용량 결합하고 있기 때문에, 부전원 전위의 변동이 그대로 센서 노이즈로 되어 나타난다.
이들 문제를 해결하기 위하여, 본 실시예에서는, 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전압을 전원 전위(예를 들면 3V), 그라운드 전위(0V), 부전원 전위(예를 들면 -1V)의 3값을 제어하는 기능을 탑재한다.
예를 들면, 도 5의 (A) 내지 (G)에 나타낸 바와 같이, 전하 공급 능력의 문제에 대해서는, 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전위를 3값 구동함으로써 부전원 발생 회로의 부담을 경감할 수 있다.
지금까지는, 리세트 트랜지스터를 온→오프할 때의 게이트 전극의 전압은 전원 전위로부터 부전원 전위로 직접적으로 게이트 전위를 변화시키고 있었다.
본 실시예에 따른 3값 구동 기능을 가능하게 함으로써, 전원 전위로부터 한번 그라운드 전위로 유지하고, 그라운드 전위에 충방전을 한번 행한 후, 부전원 전 위로 전위를 설정하는 기능을 탑재함으로써, 상기한 문제를 해결할 수 있다.
간단하게는, 전원 전위가 3V, 그라운드 전위를 0V, 부전원 전위를 -1V로 하면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
종래의 전원 전위로부터 부전원 전위로 직접적으로 전압 변화하는 경우에는, 회로 용량을 C[F]라고 하면, 그 충방전 전하량은 Q=C(V1-V2)=4C로 되고, 부전원 발생 회로에는 4C의 부담이 발생한다.
한편, 그라운드 전위를 한번 경유하는 경우에는 부전원 발생 회로가 빠지는데 필요한 전위차는 1V이기 때문에, 충방전 전하량은 1C로 되고, 종래의 방법의 4분의 1의 부담으로 감소한다.
또한, 내부 회로에서 발생시키는 부전원의 경우에는 발생 전위에 회로 노이즈가 중첩된다. 부전원 전위의 공급처인 리세트 트랜지스터(14)의 게이트는 플로팅 게이트(N11)와 용량 결합해 있기 때문에, 부전원 전위의 변동이 그대로 센서 노이즈로 되어 나타난다.
그런데, 내부 회로에서 생성하는 부전원 전위의 변동에 대하여, 그라운드 전위의 전위 변동은 작다.
이것을 이용하여, 예를 들면 도 6의 (A) 내지 (G)에 나타낸 바와 같이, 선택 행에서, 프리차지상 및 데이터상의 샘플 홀드의 타이밍 기간에 그라운드 전위의 리세트 트랜지스터의 게이트 전극 전위를 고정한다(비선택 행의 리세트 트랜지스터의 게이트 전위는 항상 부전위로 고정됨).
이에 따라, 부전위에의 변화 횟수가 적어지기 때문에, 부전하의 공급 부담이 감소할 뿐만 아니라, 부전원 발생 회로의 전위 변동에 따른 플로팅 노드 전위의 용량 결합성의 변동에 따른 노이즈 영향이 억제된다.
또한, 리세트 게이트를 선택 행은 OV, 비선택 행은 부전위로 함으로써, 선택 행과 비선택 행의 플로팅 노드 전위에 반드시 유의한 차가 생기므로, 밝은 신에서도, 세로줄을 방지할 수 있다.
또한, 예를 들면 도 7의 (A) 내지 (G)에 나타낸 바와 같이, 도 5의 (A) 내지 (G)와 연관시킨 방법과 도 6의 (A) 내지 (G)와 연관시킨 방법, 즉 리세트 트랜지스터(14)를 오프로 할 때에, 그라운드 레벨(0)을 경유하여 부전위로 하는 방법과, 샘플 홀드의 타이밍을 그라운드 레벨로 하는 방법을 복합한 구동에 따르면, 또한 2개의 효과가 동시에 얻어진다.
다음으로, 상기 구성의 본 실시예에 따른 MOS형 고체 촬상 장치의 동작예에 대하여 설명한다. 여기서는, 도 2의 왼쪽 아래의 화소에 주목하여 설명하기로 하고, 일례로서 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전압을 전원 전위(예를 들면 3V), 그라운드 전위(0V), 부전원 전위(예를 들면 -1V)의 3값을 제어하는 방법을 채용하는 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 비선택 시에는 플로팅 노드(N11)의 전위는 0.5V로 되어 있다. 이 때, V 시프트 레지스터(25)로부터 리세트 전압(B1)으로서 전원 전압(Vdd), 예를 들면 3.0V가 출력되고 있으며, 드레인선(23)의 전위도 전원 전압(Vdd)으로 되어 있다.
로드선(28)에 부여하는 로드(load) 신호를 예를 들면 1.0V로 하고, 다음으로 V 시프트 레지스터(25)로부터 H 레벨의 리세트 신호(R1)를 출력한다. 그러면, 리 세트 트랜지스터(14)가 도통하기 때문에, 플로팅 노드(N11)는 리세트 트랜지스터(14)를 통하여 드레인선(23)과 이어지고, 그 전위가 리세트 트랜지스터(14)의 채널 전압으로 결정되는 H 레벨, 예를 들면 2.5V로 리세트된다. 이에 따라, 증폭 트랜지스터(13)의 게이트 전위도 2.5V로 된다.
수직 신호선(22)의 전위(Vsig1)는 수직 신호선(22)에 이어지는 복수개의 화소의 증폭 트랜지스터 중에서 가장 게이트 전압이 높은 것에 의해 결정되고, 그 결과, 플로팅 노드(N11)의 전위에 의해 수직 신호선(22)의 전위(Vsig1)가 결정된다. 구체적으로는, 증폭 트랜지스터(13)가 부하 트랜지스터(27)와 소스 폴로워를 형성하고, 그 출력 전압이 화소 전위(Vsig1)로서 수직 신호선(22) 상에 나타난다. 이 때의 전위(Vsig1)가 리세트 레벨의 전압으로 된다. 이 리세트 레벨의 전압은 샘플 홀드 스위치(29)를 통하여 샘플 홀드/CDS(31)에 입력된다.
다음으로, V 시프트 레지스터(25)로부터 출력되는 수직 선택 펄스(T1)를 H 레벨로 한다. 그러면, 전송 트랜지스터(12)가 도통하고, 포토 다이오드(11)에서 광전 변환되고, 축적된 신호 전하(본 예에서는 전자)를 플로팅 노드(N11)에 전송한다(읽어냄). 이에 따라, 증폭 트랜지스터(13)의 게이트 전위가, 포토 다이오드(11)로부터 플로팅 노드(N11)에 읽어내어진 신호 전하의 신호선에 따라 마이너스의 방향으로 변화하고, 그에 따라 수직 신호선(22)의 전위(Vsig1)도 변화한다.
이 때의 전위(Vsig1)가 본래의 신호 레벨의 전압으로 된다. 이 신호 레벨의 전압은 샘플 홀드 스위치(29)를 통하여 샘플 홀드/CDS 회로(31)에 입력된다. 그리고, 샘플 홀드/CDS 회로(31)에서는, 앞의 리세트 레벨의 전압과 금회의 신호 레벨 의 전압의 차분을 취하고, 이 차분 전압을 유지하는 처리가 행해진다.
다음으로, V 시프트 레지스터(25)로부터 출력되는 리세트 전압(B1)을 0V로 한다. 이 때, 드레인선(23)을 통하여 화소(10)에 부여되는 리세트 전압(B1')은 0V가 아니고, P형 MOS 트랜지스터의 채널 전압으로 결정되고, 예를 들면 0.5V로 된다.
그 상태에서, V 시프트 레지스터(25)로부터 H 레벨의 리세트 신호(R1)를 출력하면 리세트 트랜지스터(14)가 도통하기 때문에, 플로팅 노드(N11)는 리세트 트랜지스터(14)를 통하여 드레인선(23)과 이어지고, 그 전위가 드레인선(23)의 전위, 즉 0.5V로 되고, 화소(10)가 비선택 상태로 복귀한다.
이 때, 리세트 트랜지스터(14)의 게이트에는 리세트선(24)을 통하여 리세트 트랜지스터(14)를 온→오프할 때에, 전원 전위 3V로부터 부전원 전위로 직접적으로 게이트 전위를 변화시키는 것이 아니라, 전원 전위로부터 한번 그라운드 전위 0V로 유지하고, 그라운드 전위로 충방전을 한번 행한 후, 부전원 전위에 전위 -1V로 설정한다. 이에 따라, 부전원 발생 회로가 빠지는데 필요한 전위차는 1V로 되어, 충방전 전하량이 적어져 회로의 부담이 감소한다.
이 비선택 상태에서는, 플로팅 노드(N11)의 전위가 0V가 아니라 5V이므로, 전송 트랜지스터(12)를 통하여 전자가 포토 다이오드(11)로 리크되는 것이 방지된다. 여기서, 플로팅 노드(N11)의 전위가 0.5V로 되는 것은 V 시프트 레지스터(25)의 리세트 전압 출력단과 드레인선(23) 사이에 접속된 P형 MOS 트랜지스터(26)의 작용에 의한다.
상술한 일련의 동작에서 1행째의 화소가 모두 동시에 구동되고, 1행분의 신호가 샘플 홀드/CDS 회로(31)에 유지(기억)된다. 그 후, 포토 다이오드(11)에서의 광전 변환(노광) 및 광 전자의 축적 기간으로 들어간다.
그리고, 이 광 전자 축적 기간에 H 시프트 레지스터(34)가 수평 주사의 동작을 개시하고, 수평 주사 펄스(H1, H2,…)를 순차적으로 출력한다. 이에 따라, 수평 선택 스위치(33)가 순차적으로 도통하고, 샘플 홀드/CDS 회로(31)에 유지되어 있던 신호를 차례로 수평 신호선(32)에 도출한다.
동일한 동작을 다음에는 2행째의 화소에 대하여 행하면, 2행째의 화소의 화소 신호가 읽어내어진다. 이후, V 시프트 레지스터(25)에서 순차적으로 수직 주사함으로써 모든 행의 화소 신호를 읽어낼 수 있으며, 또한 각 행마다 H 시프트 레지스터(34)에서 순차적으로 수평 주사함으로써 전체 화소의 신호를 읽어낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 단위 화소(10)가 전송 트랜지스터(12), 증폭 트랜지스터(13) 및 리세트 트랜지스터(14)를 갖는 3트랜지스터 구성의 MOS형 고체 촬상 장치에서, 리세트 트랜지스터(14)의 게이트 전압을 전원 전위(예를 들면 3V), 그라운드 전위(0V), 부전원 전위(예를 들면 -1V)의 3값에 의해 제어하도록 하였으므로, 비선택 행으로부터의 노이즈를 작게 할 수 있어, 밝은 신에서의 세로줄의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 리세트 트랜지스터를 통하여 플로팅 노드 용량을 포함하여 충전할 필요가 없고, 드레인선의 드라이버 크기의 증대를 방지할 수 있어, 고속 동작을 확보할 수 있다는 이점이 있다.
도 8은 본 발명에 따른 카메라 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
본 카메라 시스템(40)은 촬상 디바이스(41)와, 이 촬상 디바이스(41)의 화소영역에 입사광을 유도하는 광학계, 예를 들면 입사광(상광(像光))을 촬상면 위에 결상시키는 렌즈(42)와, 촬상 디바이스(41)를 구동하는 구동 회로(43)와, 촬상 디바이스(41)의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로(44) 등을 갖는 구성으로 되어 있다.
이 카메라 시스템에서, 촬상 디바이스(41)로서, 상기 실시예에 따른 고체 촬상 장치, 즉 단위 화소(10)가 포토 다이오드(11) 외에, 전송 트랜지스터(12), 증폭 트랜지스터(13) 및 리세트 트랜지스터(14)를 갖는 3트랜지스터 구성이고, 아울러 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 공급하는 전위 중 1개가, 적어도 부전위이고, 또는 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 3종류 이상의 전위를 공급 가능한 구성을 갖는 MOS형 고체 촬상 장치가 사용된다.
구동 회로(43)는 도 2에서의 V 시프트 레지스터(25)나 H 시프트 레지스터(34)를 구동하는 스타트 펄스나 클록 펄스를 포함하는 각종 타이밍 신호를 발생하는 타이밍 제너레이터(도시하지 않음)를 갖고, 상술한 동작예에서 설명한 구동을 실현하도록, 촬상 디바이스(MOS형 고체 촬상 장치)(41)를 구동한다. 신호 처리 회로(44)는 MOS형 고체 촬상 장치(41)의 출력 신호(Vout)에 대하여 여러가지 신호 처리를 실시하여 영상 신호로서 출력한다.
이와 같이, 본 카메라 시스템에 따르면, 상술한 실시예에 따른 MOS형 고체 촬상 장치를 촬상 디바이스(41)로서 사용함으로써, 당해 MOS형 고체 촬상 장치가 비선택 행으로부터의 노이즈를 작게 할 수 있어, 밝은 신에서의 세로줄의 발생을 억제할 수 있으며, 또한 리세트 트랜지스터를 통하여 플로팅 노드 용량을 포함하여 충전할 필요가 없고, 드레인선의 드라이버 크기의 증대를 방지할 수 있어, 고속 동작을 확보할 수 있기 때문에, 작은 회로 규모 및 낮은 소비 전력으로 잡음이 적고 고화질의 촬상 화상을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 고체 촬상 장치는 1칩으로서 형성된 고체 촬상 장치이어도 되고, 복수개의 칩의 집합체로서 형성된 모듈 타입의 고체 촬상 장치이어도 된다. 복수개의 칩의 집합체로서 형성된 고체 촬상 장치인 경우, 촬상을 행하는 센서 칩, 디지털 신호 처리를 행하는 신호 처리 칩 등으로 나누어 형성되고, 광학계를 더 포함하기도 한다.
본 발명은 비선택 행으로부터의 노이즈를 작게 할 수 있어, 밝은 신에서의 세로줄의 발생을 억제할 수 있으며, 또한 리세트 트랜지스터를 통해 플로팅 노드 용량을 포함하여 충전을 행할 필요가 없고, 드레인선의 드라이버 크기의 증대를 방지할 수 있어, 고속 동작을 확보할 수 있기 때문에, 디지털 카메라, 비디오 카메라 등의 전자 기기에 적용 가능하다.

Claims (9)

  1. 촬상 영역 내에 형성된 복수개의 단위 화소를 가지며,
    상기 단위 화소는,
    입사 광량에 따라 전하를 생성하는 광전 변환부와,
    상기 광전 변환부의 신호를 플로팅 노드에 전송하는 전송 트랜지스터와,
    상기 플로팅 노드의 신호를 신호선에 출력하는 증폭 트랜지스터와,
    상기 플로팅 노드를 리세트하는 리세트 트랜지스터를 갖고,
    상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 공급되는 복수개의 전위 중 적어도 1개가, 부전위인 고체 촬상 장치.
  2. 단위 화소가,
    입사 광량에 따라 전하를 생성하는 광전 변환부와,
    상기 광전 변환부의 신호를 플로팅 노드에 전송하는 전송 트랜지스터와,
    상기 플로팅 노드의 신호를 신호선에 출력하는 증폭 트랜지스터와,
    상기 플로팅 노드를 리세트하는 리세트 트랜지스터와,
    상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 3종류 이상의 전위를 공급 가능한 수단
    을 갖는 고체 촬상 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 공급하는 적어도 3종류 이상의 전위 중에서 적어도 1종류의 전위의 전압이 부전위인 고체 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 리세트 트랜지스터를 온 상태로부터 오프 상태로 할 때의 게이트 전위를, 플러스의 하이 레벨 전원 전위로부터, 그라운드 레벨 전원 전위를 거쳐, 부전원 전위로 설정 가능한 수단을 갖는 고체 촬상 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    프리차지상 및 데이터상의 샘플 홀드의 양측의 타이밍에서, 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전위가 그라운드 전위로 설정되어 있는 고체 촬상 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    선택 화소의 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전위가 그라운드 전위로 설정되어 있는 기간 동안에는, 비선택 화소의 리세트 트랜지스터의 게이트 전위는 부전위인 고체 촬상 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호선을 경유하여 출력된 신호를 처리하는 칩을 갖는 고체 촬상 장치.
  8. 촬상 영역 내에 형성된 복수개의 단위 화소를 가지며,
    상기 단위 화소는, 입사 광량에 따라 전하를 생성하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부의 신호를 플로팅 노드에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드의 신호를 신호선에 출력하는 증폭 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드를 리세트하는 리세트 트랜지스터를 갖고, 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 공급되는 복수개의 전위 중 적어도 1개가, 부전위인 고체 촬상 장치와,
    상기 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 유도하는 광학계와,
    상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로
    를 갖는 카메라 시스템.
  9. 단위 화소가, 입사 광량에 따라 전하를 생성하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부의 신호를 플로팅 노드에 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드의 신호를 신호선에 출력하는 증폭 트랜지스터와, 상기 플로팅 노드를 리세트하는 리세트 트랜지스터와, 상기 리세트 트랜지스터의 게이트 전극에 3종류 이상의 전위를 공급 가능한 수단을 갖는 고체 촬상 장치와,
    상기 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 유도하는 광학계와,
    상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로
    를 갖는 카메라 시스템.
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