JP2003018471A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
ス134をリセットゲート128に供給する前に、バッ
ファー回路130の出力電圧をサンプルホールド回路2
に保持させる。このリセットの段階では、フォトダイオ
ード122に対する入射光量が多い場合、フォトダイオ
ード122が生成した電荷はフォトダイオード122か
らオーバーフローしてFD部124に流れ込み、さらに
FD部124でもオーバーフローして電源Vddに流出
する。このとき、FD部124の電圧は、電源に流出す
る電荷による電流の大きさにより決まるが、リセットゲ
ート128は、チャネルに流れる電流が小さくサブスレ
ッショルド領域で動作するので、FD部124の電圧は
電流値の対数に対応した値となる。よって、サンプルホ
ールド回路2が保持する電圧は、光量の対数に対応した
値となる。
Description
し、特に光検出におけるダイナミックレンジの拡大を図
った固体撮像装置に関するものである。
図、図10は図9の固体撮像装置を構成する1つの画素
部周辺を示す回路図、図11は図10に示した回路の動
作を示すタイミングチャートである。図9に示した固体
撮像装置102は、具体的にはCMOS光センサーであ
り、半導体基板上に形成された画素領域104、V選択
手段106、H選択手段108、タイミングジェネレー
タ110(TG)、信号処理部112、定電流部114
Aなどを含んでいる。画素領域104には、多数の画素
がマトリクス状に配列され、各画素が光を検出して生成
した電気信号が、タイミングジェネレータ110からの
タイミングパルスにもとづきV選択手段106およびH
選択手段108により順次選択され、水平信号線116
から出力部118を通じて出力する構成となっている。
ォトダイオード122、電荷量に応じた大きさの電圧を
生成するフローティングディフュージョン部124(F
D部124)、転送パルスが供給されたときフォトダイ
オード122をFD部124に接続する転送ゲート12
6と、リセットパルスが供給されたときFD部124を
電源Vddに接続するリセットゲート128、FD部1
24の電圧を出力するバッファー回路130を含んで構
成されている。
ランドに接続され、カソードは、転送ゲート126を構
成するN型のMOSFET(MOS電界効果トランジス
ター)のソースに接続されている。同MOSFETのド
レインはFD部124に接続され、またゲートにはタイ
ミングジェネレータ110より転送パルス132が供給
される。リセットゲート128もN型のMOSFETに
より構成され、そのソースはFD部124に、ドレイン
は電源Vddにそれぞれ接続され、ゲートにはタイミン
グジェネレータ110よりリセットパルス134が供給
される。
OSFETのゲートはFD部124に接続され、ドレイ
ンは電源Vddに接続されている。バッファー回路13
0と垂直信号線136との間には、N型のMOSFET
から成るアドレスゲート138が介在し、そのゲートに
はV選択手段106からアドレスパルス140が供給さ
れる。そして、バッファー回路130のソースはアドレ
スゲート138のドレインに接続され、アドレスゲート
138のソースは垂直信号線136に接続されている。
された画素120の各列ごとに設けられ、同一の列に属
する画素120のアドレスゲート138のソースはすべ
て対応する垂直信号線136に接続されている。垂直信
号線136の一端は、画素領域104の外に配置された
定電流部114Aにおいて定電流源114に接続され、
垂直信号線136に一定の電流が流されている。垂直信
号線136の他端は、画素領域104の外に配置された
信号処理部112に接続されている。
6ごとに第1および第2のサンプルホールド回路14
2、144、CDS(Correlated Double Sampling)回
路146(第1の演算回路)などが設けられている。第
1および第2のサンプルホールド回路142、144
は、タイミングジェネレータ110から第1および第2
のサンプリングパルス148、150が供給されて、バ
ッファー回路130が垂直信号線136に出力した信号
電圧を保持する。CDS回路146は、これら第1およ
び第2のサンプルホールド回路142、144が保持し
た電圧の差を算出する。
6の出力信号は、タイミングジェネレータ110からの
タイミング信号にもとづいて動作するH選択手段108
により順次選択されて水平信号線116に出力され、出
力部118を通じて出力される。出力部118は詳しく
は増幅回路、AGC回路、A/D変換器などにより構成
されている。
102の動作について、図11をも参照しつつ、画素1
20における動作を中心に説明する。V選択手段106
はタイミングジェネレータ110からのタイミングパル
スにもとづき動作して、画素領域104の行を選択し、
選択した行に属する画素120に対し、タイミングT1
でアドレスパルス140(ハイレベル)を出力する。こ
のアドレスパルス140は、各画素120においてアド
レスゲート138に供給され、その結果、アドレスゲー
ト138がオンしてバッファー回路130が垂直信号線
136に接続される。
イミングT2においてリセットパルス134を出力し、
これによりリセットゲート128がオンしてFD部12
4は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積してい
る電荷(電子)が排除される。そして、このリセット状
態のFD部124の電圧がバッファー回路130により
垂直信号線136に出力される。なお、バッファー回路
130は、アドレスゲート138がオンしているとき
は、定電流源114とともにソースフォロワー回路を形
成するので、ゲート電圧、すなわちFD部124の電圧
に追従した電圧がバッファー回路130から垂直信号線
136に低インピーダンスで出力される。
ミングジェネレータ110は垂直信号線136ごとに設
けられた各第1のサンプルホールド回路142に第1の
サンプリングパルス148を出力し、バッファー回路1
30により垂直信号線136に出力された電圧を保持さ
せる。その後、タイミングT4において、タイミングジ
ェネレータ110は転送パルス132を出力し、転送ゲ
ート126をオンさせてフォトダイオード122がタイ
ミングT4までに受光して蓄積した電荷(電子)をFD
部124に転送させる。FD部124は転送された電荷
量に応じた電圧を生成し、バッファー回路130はその
電圧を、低インピーダンスで垂直信号線136に出力す
る。
タイミングT5で、垂直信号線136ごとに設けられた
各第2のサンプルホールド回路144に第2のサンプリ
ングパルス150を出力し、このときバッファー回路1
30が垂直信号線136に出力している電圧を保持させ
る。これにより、各垂直信号線136ごとに設けられた
CDS回路146は、第1のサンプルホールド回路14
2が保持しているリセット時の電圧と、第2のサンプル
ホールド回路144が保持している電圧との差を算出し
て、オフセット分を除去した、フォトダイオード122
の受光光量に対応する大きさの電圧を出力する。なお、
上記オフセット分は画素120ごとに大きさが異なるた
め、このようにCDS回路146によりオフセット分を
除去することで、オフセットのバラツキによるノイズを
除去することができる。
6の出力信号は、タイミングジェネレータ110からの
タイミングパルスにもとづきH選択手段108により順
次選択されて水平信号線116に出力され、出力部11
8を通じ画像信号として出力される。その後、V選択手
段106はタイミングT6においてアドレスパルス14
0をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート13
8がオフしてバッファー回路130が垂直信号線136
から切り離され、1行分の画素120に関する動作が完
了する。
ェネレータ110からのタイミングパルスにもとづき動
作して、画素部120の各行を順次選択する。そして、
各行ごとに上述のような動作が行われ、V選択手段10
6がすべての行を選択したところで、すべての画素部1
20により生成された画像1枚分の画像信号が出力され
たことになる。
体撮像装置102では、フォトダイオード122が生成
した電荷がオーバーフローするまでの範囲、すなわちフ
ォトダイオード122の飽和レベルまでの範囲の光量し
か検出することができなかった。したがって、たとえば
被写体の暗い部分に絞りやシャッター速度を合わせた場
合には、被写体の明るい部分は、フォトダイオード12
2が飽和してしまうことから、全体がたとえば真っ白に
撮影されてしまい、映像を得ることはできなかった。
313257号公報には、受光光量の対数に対応した信
号を出力するようにしてダイナミックレンジを拡大した
固体撮像素子が開示されている。しかし、この固体撮像
素子では、コンデンサーを使用していることから、その
充放電に時間がかかり、残像が生じるという欠点があ
る。そして、構造的に、雑音が少ないという長所を有し
ている埋め込みフォトダイオード(フォトダイオード表
面の絶縁膜とフォトダイオードとの間にたとえばP+層
が形成されている)を使用できないため、画質が劣ると
いう問題がある。そして、画素回路の構成要素が多いた
め、小型化が困難である。
ダイオード122における電荷蓄積時間を変え、フォト
ダイオード122が飽和しないような短い時間と、充分
に長い時間とで撮影して、各撮影画像を合成することで
ダイナミックレンジを拡大するといった手法も知られて
いるが、この方法では、ラインメモリーやフレームメモ
リーが必要なために装置が大型化し、またコスト高とな
ってしまう。そして、感光期間の異なる2つの信号を合
成するので、動く被写体への適用が困難である。さら
に、画素領域104の隣接行間で電荷蓄積時間を変える
ことにより、メモリーを不要にする技術も知られている
が、この技術では画素の隣接行間での演算処理が必要で
あるため、装置が大型化し、また構成が複雑となる。さ
らに、2画素で1つの信号を生成するので解像度が劣化
する。
なされたもので、その目的は、ダイナミックレンジが広
く、かつ高性能で、しかも小型、低コストの固体撮像装
置を提供することにある。
するため、半導体基板上に1個以上の画素を配し、各画
素は、フォトダイオードと、電荷量に応じた大きさの電
圧を生成するフローティングディフュージョン部と、転
送パルスが供給されたとき前記フォトダイオードを前記
フローティングディフュージョン部に接続する転送ゲー
トと、リセットパルスが供給されたとき前記フローティ
ングディフュージョン部を所定電位点に接続するリセッ
トゲートと、前記フローティングディフュージョン部の
電圧を出力するバッファー手段とを含み、前記リセット
ゲートは電界効果トランジスターにより構成され、同ト
ランジスターのドレインは前記所定電位点に、ソースは
前記フローティングディフュージョン部にそれぞれ接続
され、前記トランジスターのゲートに前記リセットパル
スを供給した後、前記転送パルスを前記転送ゲートに供
給し、そのとき前記バッファー手段が出力する電圧を前
記フォトダイオードによる光の検出電圧として処理する
信号経路を有する固体撮像装置であって、前記リセット
パルスが前記リセットゲートに供給される前の、前記バ
ッファー手段の出力電圧を前記フォトダイオードによる
第2の光の検出電圧として処理する第2の信号経路を有
することを特徴とする。
スがリセットゲートに供給される前に、バッファー手段
の出力電圧が第2の信号経路に取り込まれる。このリセ
ットパルスがリセットゲートに供給される前の段階で
は、フォトダイオードに対する入射光量が多い場合、フ
ォトダイオードが生成した電荷はフォトダイオードから
オーバーフローしてFD部に流れ込み、さらにFD部で
もオーバーフローして所定電位点に流出する。このと
き、FD部の電圧は、所定電位点に流出する電荷による
電流の大きさにより決まるが、電界効果トランジスター
によるリセットゲートは、チャネルに流れる電流が小さ
くサブスレッショルド領域で動作するので、FD部の電
圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、FD部
の電圧がバッファー手段を通じて出力され、第2の信号
経路に供給されるので、入射光量が多い場合、第2の信
号経路に供給される電圧は、入射光量の対数に対応した
値となる。すなわち、本発明では、フォトダイオードの
入射光量が多い場合、入射光量の対数に対応した電圧が
第2の信号経路から出力され、よって、ダイナミックレ
ンジの広い固体撮像装置を実現することができる。
て図面を参照して説明する。図1は本発明による固体撮
像装置の一例を構成する画素部周辺を示す回路図、図2
は実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図、図
3は主に図1の画素部の動作を示すタイミングチャー
ト、図4は図1の画素部を構成するフォトダイオード周
辺のポテンシャル図である。図1、図2において図9、
図10と同一の要素には同一の符号が付されており、そ
れらに関する詳しい説明はここでは省略する。
撮像装置では、マトリックス状に画素120が並べられ
た画素領域104の各列に対して、サンプルホールド回
路2、ならびにCDS回路4(第2の演算回路)が新た
に設けられている。サンプルホールド回路2は、タイミ
ングジェネレータ6(図2)からのサンプリングパルス
8にもとづいて垂直信号線136に出力されている電圧
を保持し、CDS回路4はサンプルホールド回路2が保
持している電圧と、第1のサンプルホールド回路142
が保持している電圧との差を算出し、オフセット分を除
去する。これらの回路はすべて図2に示した信号処理部
10に配置されている。
に、信号処理部10とともにH選択手段12が新たに設
けられ、信号処理部10のCDS回路4の出力信号は、
H選択手段12により順次選択され水平信号線14を通
じ出力部16から出力される。出力部16は詳しくは増
幅回路、AGC回路、A/D変換器などにより構成され
ている。タイミングジェネレータ6は、従来同様、画素
120、V選択手段106、H選択手段108、信号処
理部112にタイミングパルスを供給するとともに、上
記信号処理部10およびH選択手段12にタイミングパ
ルスを出力する。
動作について、図3、図4をも参照しつつ説明する。図
3において、図11に示したタイミングに相当するタイ
ミングには同じ符号が付されている。図4の(A)は画
素120におけるフォトダイオード122(PD)、転
送ゲート126、FD部124、リセットゲート12
8、ならびに電源Vddの位置関係を示し、(B)から
(E)は図3に示した各タイミングにおける各部のポテ
ンシャルの状態を示している。図4の(B)から(E)
において、下方が正の方向となっている。
タ6からのタイミングパルスにもとづき本発明に係わる
タイミングパルス発生手段の一部として動作して、画素
領域104の行を選択し、選択した行に属する画素12
0に対し、タイミングT1でアドレスパルス140(ハ
イレベル)を出力する。このアドレスパルス140は、
各画素部120においてアドレスゲート138に供給さ
れ、その結果、アドレスゲート138がオンしてバッフ
ァー回路130が垂直信号線136に接続される。この
とき、バッファー回路130は定電流源114とともに
ソースフォロワー回路を形成するので、ゲート電圧、す
なわちFD部124の電圧に追従した電圧がバッファー
回路130から垂直信号線136に低インピーダンスで
出力される。
ミングT1aで、サンプルホールド回路2に対してサン
プリングパルス8を出力し、バッファー回路130を通
じて垂直信号線136に出力されているFD部124の
電圧を保持させる。なお、ここで保持した電圧がどのよ
うな電圧であるかについては、後に図4を参照して詳し
く説明する。
ングT2においてリセットパルス134を出力し、これ
によりリセットゲート128がオンしてFD部124は
電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している電
荷が排除される。そして、このリセット状態のFD部1
24の電圧がバッファー回路130により垂直信号線1
36に出力される。
ミングジェネレータ6は垂直信号線136ごとに設けら
れた各第1のサンプルホールド回路142に第1のサン
プリングパルス148を出力し、バッファー回路130
により垂直信号線136に出力された電圧を保持させ
る。その後、タイミングT4において、タイミングジェ
ネレータ6は転送パルス132を出力し、転送ゲート1
26をオンさせてフォトダイオード122がタイミング
T4までに受光して蓄積した電荷をFD部124に転送
させる。FD部124は転送された電荷量に応じた電圧
を生成し、バッファー回路130はその電圧を低インピ
ーダンスで垂直信号線136に出力する。
ミングT5で、垂直信号線136ごとに設けられた各第
2のサンプルホールド回路144に第2のサンプリング
パルス150を出力し、このときバッファー回路130
が垂直信号線136に出力している電圧を保持させる。
これにより、信号処理部112では、各垂直信号線13
6ごとに設けられたCDS回路146が、第1および第
2のサンプルホールド回路142、144が保持してい
る電圧の差を算出して、オフセット分を除去し、フォト
ダイオード122の受光光量に対応する大きさの電圧を
出力する。各垂直信号線136ごとのCDS回路146
の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミ
ングパルスにもとづきH選択手段108により順次選択
されて水平信号線116に出力され、出力部118を通
じ画像信号として出力される。
136ごとに設けられたCDS回路4が、サンプルホー
ルド回路2が保持している電圧、および第1のサンプル
ホールド回路142(信号処理部112)が保持してい
るリセット時の電圧の差を算出し、オフセット分を除去
して、フォトダイオード122の受光光量に対応する大
きさの電圧を出力する。各垂直信号線136ごとのCD
S回路4の出力信号は、タイミングジェネレータ6から
のタイミングパルスにもとづきH選択手段12により順
次選択されて水平信号線14に出力され、出力部16を
通じ画像信号として出力される。
サイクルに備えるべくタイミングT5aにおいて再度リ
セットパルス134を出力する。これによりリセットゲ
ート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続
され、FD部124に蓄積している電荷が排除される。
その後、V選択手段106はタイミングT6においてア
ドレスパルス140をローレベルに戻し、その結果、ア
ドレスゲート138がオフしてバッファー回路130が
垂直信号線136から切り離され、1行分の画素部12
0に関する動作が完了する。
ェネレータ6からのタイミングパルスにもとづき動作し
て、画素部120の各行を順次選択する。そして、各行
ごとに上述のような動作が行われ、V選択手段106が
すべての行を選択したところで、すべての画素部120
により生成された1枚分の画像信号が出力されたことに
なる。
量が多い場合の各部のポテンシャルを示す図4を参照し
てさらに詳しく説明する。図4の(B)は図3のタイミ
ングT1aにおける状態を示し、図4の(C)、
(D)、(E)はそれぞれタイミングT3、T5、T5
aの状態を示している。
い場合、図4の(B)に示したように、フォトダイオー
ド122が受光して生成した電荷20は転送ゲート12
6を越えてFD部124へと溢れ、さらに入射光量が多
い場合はFD部124も溢れて電荷20はリセットゲー
ト128を越えて電源Vddへと流れ込む。このとき、
FD部124の電圧は、電源Vddに流出する電荷によ
る電流の大きさにより決まるが、フォトダイオード12
2が生成する電荷量は小さく、MOSFETによるリセ
ットゲート128のチャネルに流れる電流はナノアンペ
アのオーダーの弱い電流であり、リセットゲート128
はサブスレッショルド領域で動作するので、FD部12
4の電圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、
このFD部124の電圧がバッファー回路130を通じ
て出力され、サンプルホールド回路2に供給されるの
で、入射光量が多い場合、タイミングT1aでサンプル
ホールド回路2が保持する電圧は、入射光量の対数に対
応した値となる。
2からFD部124へ電荷が溢れるるものの、FD部1
24から電源へは溢れない程度であった場合には、FD
部124はフォトダイオード122から溢れた電荷に対
応する電圧を生成するので、サンプルホールド回路2が
保持する電圧は、フォトダイオード122から溢れた電
荷量に比例した電圧となる。
リセットされ、各部のポテンシャルは図4の(C)のよ
うになり、そしてリセット直後のFD部124の電圧が
バッファーを通じて出力され、第1のサンプルホールド
回路142に保持される(タイミングT3)。
ールド回路2が保持している電圧と、第1のサンプルホ
ールドが保持しているリセットレベルの電圧(オフセッ
ト分)との差を算出するので、その出力電圧は、入射光
量が多い場合のオフセット調整が行われた電圧となる。
がオンすることから、図4の(D)に示したように、フ
ォトダイオード122に蓄積されていた電荷20がFD
部124に転送されFD部124に蓄積する。そして、
タイミングT5で、この電荷量に対応する電圧が、第2
のサンプルホールド回路144に保持される。この電圧
は、入射光量がフォトダイオード122を飽和させない
程度のものであれば、入射光量に対応した電圧となる
が、今のように入射光量が多い場合には、フォトダイオ
ード122が飽和した状態に対応する電圧となる。そし
て、信号処理部112のCDS回路146は、上述のよ
うに第1および第2のサンプルホールド回路142、1
44が保持している電圧の差を算出する。
が再度リセットされるので、ポテンシャルは図4の
(E)に示したように、いずれの箇所にも電荷が蓄積し
ていない状態となる。そして、これ以降、フォトダイオ
ード122が受光して生成した電荷はフォトダイオード
122の箇所に除々に蓄積し、次のサイクルのタイミン
グT1aで、それまでに蓄積した電荷に対応する電圧が
上述のようにして取得されることになる。
置1では、フォトダイオード122の入射光量が多い場
合でも、入射光量の対数に対応した電圧がサンプルホー
ルド回路2、したがって出力部16から出力される。そ
のため、被写体における標準的な明るさ(フォトダイオ
ード122が飽和しない明るさ)の箇所では、従来どお
り明るさに比例して信号レベルが変化する出力部118
の出力を用い、それ以上の明るさの箇所では、出力部1
6の対数出力を用いることができる。これにより、たと
えば従来の1万倍という広いダイナミックレンジを備え
た固体撮像装置も実現することが可能となる。
出力部118および出力部16から同時に信号を出力で
きるので、必要に応じて両出力を用いるか、一方のみを
用いるといった選択が可能であり、後段の信号処理にお
ける自由度が高い。また、対数変換にコンデンサーなど
は使用しないので、残像の問題がなく、また、雑音の少
ない埋め込みフォトダイオード122を使用できるた
め、良好な画質が得られる。そして、ラインメモリー、
フレームメモリーを用いたり、画素領域104の行間で
の演算処理を行ったりする必要がないので、構成および
処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であり、製
造コストが特に上昇することもない。さらに、画素部1
20の構成は従来と同じであるから、画素部120のサ
イズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置
の小型化に有利である。
MOSFETのチャネル電圧について説明する。FD部
124の電圧をサンプリングする図4の(B)および
(E)の状態(タイミングT1a、T5a)では、チャ
ネル電圧Vr1は、フォトダイオード122を飽和させ
る光量のたとえば1万倍などの大光量に対しても、FD
部124の電圧が光量の対数に対応する値となり、かつ
バッファー回路130の入力レンジに収まる電圧となる
ように設定する。このようなチャネル電圧Vr1は多く
の場合、ポテンシャルの下限を決定する。なお、チャネ
ル電圧の設定は、具体的にはMOSFETのゲート下の
イオンインプランテーションやゲート電圧の調整などに
より行うことができる。
ミングT3、T5)では、チャネル電圧Vr2は、フォ
トダイオード122から溢れた電荷をFD部124がす
べて受け取ることができるような値に設定する。このよ
うなチャネル電圧Vr2は多くの場合、ポテンシャルの
上限を決定する。
r1、Vr2は、互いに同一の電圧でもよいが、Vr1
>Vr2とすることが好ましい。たとえば、電源Vdd
の電圧が2.5Vなら、チャネル電圧を、電流が1nA
となるときのソース電圧と定義した場合に、Vr1=
1.7V、Vr2=1.0Vとすることができる。な
お、このような異なるチャネル電圧は、リセットゲート
128を構成するMOSFETのゲートに、タイミング
により異なる電圧を印加することで設定することができ
る。
CDS回路4を設けるとしたが、サンプルホールド回路
2により保持した電圧に対してはオフセット分の除去を
行わない構成とすることも可能である。すなわち、サン
プルホールド回路2が出力する信号は入射光量が多い場
合の信号であり、その信号レベルは大きい。したがっ
て、画素部120ごとのオフセット分のバラツキ成分が
信号に含まれていたとしても、その影響は小さく、よっ
てCDS回路4を用いない構成としてもよい。
をリセットする場合、FD部124をリセットゲート1
28を通じて電源Vddに接続し、FD部124の電圧
を電源Vddの電圧としたが、リセット後のFD部12
4の電圧は、これに限らず電源電圧より低い電圧として
もよく、その場合にも、同様の作用効果が得られる。そ
して、本実施の形態例では、電子がキャリアであるとし
たが、各ゲートなどを構成するMOSFETとしてP型
のMOSFETを用い、正孔をキャリアとした場合に
も、基本的な動作は変わらず、同様の作用効果が得られ
る。また、ここではタイミングジェネレータを内蔵した
場合の形態例を示したが、タイミングジェネレータは外
付けでも本発明には影響しない。また、信号処理部は並
列に配した2つのサンプルホールド回路を用いる形態例
を挙げたが、2つの信号の差を取り、保持する回路であ
ってもよい。さらに、垂直信号線に直接バッファーを接
続して、外部に出力することも可能であり、垂直信号線
以降の信号処理は種々の形態で実施することができる。
て説明する。図5は第2の実施の形態例の固体撮像装置
を構成する画素とその周辺を示す回路図、図6は図5の
画素部の動作を示すタイミングチャートである。図5に
おいて図1と同一の要素には同一の符号が付されてお
り、それらに関する説明はここでは省略する。また、図
6において図3と同一のタイミングには同一の符号が付
されている。図5に示した画素部22が図1の画素部1
20と異なるのは、リセットゲート128を構成するト
ランジスターのドレインを、電源ライン24に接続し、
電圧制御回路26より電源ライン24に電圧を印加する
構成とした点である。
たように、常時は電源Vddと同じ電圧を電源ライン2
4に出力するが、タイミングT6でアドレスゲート13
8をオフさせた後、次のサイクルのタイミングT1aで
サンプルホールド回路2にサンプリングパルス8を供給
する前に、タイミングT7で電源Vddの電圧のたとえ
ば半分の電圧に一時的に低下させる。これにより、FD
部124は電荷により満たされた状態となる。したがっ
て、以降、入射光量が大きく、フォトダイオード122
から溢れてきた電荷は、ただちに電源ライン24側に溢
れる。その結果、第2の実施の形態例では、入射光量が
大きく、フォトダイオード122で電荷が溢れた場合に
は、最初から入射光量の対数に対応した大きさの電圧が
バッファー回路130に入力され、よって入射光量とバ
ッファー回路130の出力電圧との関係は、上記実施の
形態例の場合のような途中のリニアな領域はなく、最初
から対数の関係となる。
電圧を低くし過ぎた場合には、フォトダイオード122
にまで電荷が注入されるため好ましくない。ただし、タ
イミングT7の後、フォトダイオード122に蓄積して
いる電荷のリセットも行う場合には、グランド電位とす
ることも可能である。
て説明する。図7は第3の実施の形態例の固体撮像装置
を構成する画素部およびその周辺を示す回路図、図8は
図7の画素部の動作を示すタイミングチャートである。
図7において図1と同一の要素には同一の符号が付され
ており、それらに関する説明はここでは省略する。
記実施の形態例で各垂直信号線136に接続されていた
定電流源114に変えてスイッチング素子が設けられて
いる点、および上記タイミングジェネレータ6に相当す
るタイミングジェネレータ(図示せず)が同スイッチン
グ素子をも制御する点で最初の実施の形態例の固体撮像
装置と異なっている。
子は、トランジスター28(N型のMOSFET)から
成り、トランジスター28のゲートにはタイミングジェ
ネレータからロードパルス30が入力され、トランジス
ター28のソースはグランドに、ドレインは垂直信号線
136に接続されている。
態例の固体撮像装置を構成するタイミングジェネレータ
は、図8に示したように、タイミングT1a、T3、T
5で各サンプルホールド回路にサンプリングパルスを供
給するのに先だって、タイミングT1b、T2a、T4
aにおいてそれぞれロードパルス30をトランジスター
28に出力し、一定の期間、トランジスター28をオン
させて垂直信号線136をグランドに接続する。
信号線136にバッファー回路130から出力される電
圧を各サンプルホールド回路2に取り込む前に、垂直信
号線136に係わる寄生容量に蓄積している電荷が放電
され、その後、垂直信号線136はグランドから切り離
される。そして、垂直信号線136がグランドから切り
離された直後から、垂直信号線136の電圧は、バッフ
ァー回路130の出力電圧、すなわちFD部124の電
圧を反映した電圧に漸近して、タイミングT1a、T
3、T5までには同電圧に一致し、これらのタイミング
でサンプルホールド回路2、第1および第2のサンプル
ホールド回路142、144は、固体撮像装置1の場合
と同様に垂直信号線136の電圧を保持する。
ター28は常時は動作している必要がないので、定電流
源114として動作させる場合のようにトランジスター
28のソース・ドレイン間に一定値以上の電圧が印加さ
れた状態に保つ必要がない。よって、バッファー回路1
30に入力できる電圧の最小値はトランジスタのしきい
値程度となり、リセットゲート128のチャネル電圧V
r1、Vr2を低くしても画素部120は動作可能とな
る。そのため、チャネル電圧Vr1、Vr2の選択にお
いて自由度が増す。たとえば電源Vddの電圧が2.5
Vの場合、リセットゲート128のチャネル電圧を、電
流1nAで定義したときに、チャネル電圧Vr1、Vr
2はともに1.0Vとしてもよい。
置では、リセットパルスがリセットゲートに供給される
前に、バッファー手段の出力電圧が第2の信号経路に取
り込まれる。このリセットパルスがリセットゲートに供
給される前の段階では、フォトダイオードに対する入射
光量が多い場合、フォトダイオードが生成した電荷はフ
ォトダイオードからオーバーフローしてFD部に流れ込
み、さらにFD部でもオーバーフローして所定電位点に
流出する。このとき、FD部の電圧は、所定電位点に流
出する電荷による電流の大きさにより決まるが、電界効
果トランジスターによるリセットゲートは、チャネルに
流れる電流が小さくサブスレッショルド領域で動作する
ので、FD部の電圧は電流値の対数に対応した値とな
る。そして、FD部の電圧がバッファー手段を通じて出
力され、第2の信号経路に供給されるので、入射光量が
多い場合、第2の信号経路に供給される電圧は、入射光
量の対数に対応した値となる。すなわち、本発明では、
フォトダイオードの入射光量が多い場合、入射光量の対
数に対応した電圧が第2の信号経路から出力され、よっ
て、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を実現する
ことができる。
ーなどは使用しないので、残像の問題がなく、また、雑
音の少ない埋め込みフォトダイオードを使用できるた
め、良好な画質が得られる。そして、ラインメモリー、
フレームメモリーを用いたり、画素部の行間での演算処
理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容
が簡素であり、装置の小型化に有利であり、特に製造コ
ストが上昇することもない。さらに、画素部は基本的に
従来と同じ構成とできるので、画素部のサイズが大きく
なることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有
利である。また、明るい部分の信号と暗い部分の信号と
で、感光期間がずれるということがなく、解像度も劣化
しない。
素部周辺を示す回路図である。
図である。
ートである。
のポテンシャル図である。
画素部周辺を示す回路図である。
である。
画素部およびその周辺を示す回路図である。
である。
周辺を示す回路図である。
チャートである。
……CDS回路、6……タイミングジェネレータ、8…
…サンプリングパルス、10……信号処理部、12……
H選択手段、14……水平信号線、16……出力部、2
0……電荷、22……画素部、24……電源ライン、2
6……電圧制御回路、28……トランジスター、30…
…ロードパルス。
6の出力信号は、タイミングジェネレータ110からの
タイミングパルスにもとづきH選択手段108により順
次選択されて水平信号線116に出力され、出力部11
8を通じ画像信号として出力される。V選択手段106
はタイミングT6においてアドレスパルス140をロー
レベルに戻し、その結果、アドレスゲート138がオフ
してバッファー回路130が垂直信号線136から切り
離され、1行分の画素120に関する動作が完了する。
ルに備えるべくタイミングT5aにおいて再度リセット
パルス134を出力する。これによりリセットゲート1
28がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、
FD部124に蓄積している電荷が排除される。V選択
手段106はタイミングT6においてアドレスパルス1
40をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート1
38がオフしてバッファー回路130が垂直信号線13
6から切り離され、1行分の画素部120に関する動作
が完了する。
量が多い場合の各部のポテンシャルを示す図4を参照し
てさらに詳しく説明する。図4の(B)は図3のタイミ
ングT1aにおける状態を示し、図4の(C)、
(D)、(E)はそれぞれタイミングT3、T5、T6
の状態を示している。
MOSFETのチャネル電圧について説明する。FD部
124の電圧をサンプリングする図4の(B)および
(E)の状態(タイミングT1a、T6)では、チャネ
ル電圧Vr1は、フォトダイオード122を飽和させる
光量のたとえば1万倍などの大光量に対しても、FD部
124の電圧が光量の対数に対応する値となり、かつバ
ッファー回路130の入力レンジに収まる電圧となるよ
うに設定する。このようなチャネル電圧Vr1は多くの
場合、ポテンシャルの下限を決定する。なお、チャネル
電圧の設定は、具体的にはMOSFETのゲート下のイ
オンインプランテーションやゲート電圧の調整などによ
り行うことができる。
Claims (9)
- 【請求項1】 半導体基板上に1個以上の画素を配し、
各画素は、フォトダイオードと、電荷量に応じた大きさ
の電圧を生成するフローティングディフュージョン部
と、転送パルスが供給されたとき前記フォトダイオード
を前記フローティングディフュージョン部に接続する転
送ゲートと、リセットパルスが供給されたとき前記フロ
ーティングディフュージョン部を所定電位点に接続する
リセットゲートと、前記フローティングディフュージョ
ン部の電圧を出力するバッファー手段とを含み、前記リ
セットゲートは電界効果トランジスターにより構成さ
れ、同トランジスターのドレインは前記所定電位点に、
ソースは前記フローティングディフュージョン部にそれ
ぞれ接続され、前記トランジスターのゲートに前記リセ
ットパルスを供給した後、前記転送パルスを前記転送ゲ
ートに供給し、そのとき前記バッファー手段が出力する
電圧を前記フォトダイオードによる光の検出電圧として
処理する信号経路を有する固体撮像装置であって、 前記リセットパルスが前記リセットゲートに供給される
前の、前記バッファー手段の出力電圧を前記フォトダイ
オードによる第2の光の検出電圧として処理する第2の
信号経路を有する固体撮像装置。 - 【請求項2】 前記第2の信号経路に、前記第2の光の
検出電圧を保持するサンプルホールド手段を備えること
を特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 【請求項3】 前記第2の信号経路に、前記第2の光の
検出電圧と、前記リセットパルスが前記リセットゲート
に供給された後の前記バッファー手段の出力電圧との差
を算出して、同電圧差に対応する電圧を生成する演算手
段を備えることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装
置。 - 【請求項4】 前記リセットパルスが前記リセットゲー
トに供給された後の前記バッファー手段の出力電圧を保
持する第1のサンプルホールド手段と、前記光の検出電
圧を保持する第2のサンプルホールド手段を備え、前記
第2の信号経路のサンプルホールド手段および前記第1
のサンプルホールド手段が保持する電圧の差を算出し
て、同電圧差に対応する電圧を生成する第1の演算手段
と、前記第1および第2のサンプルホールド手段が保持
する電圧の差を算出して、同電圧差に対応する電圧を生
成する第2の演算手段とを備えることを特徴とする請求
項2記載の固体撮像装置。 - 【請求項5】 前記所定電位点の電圧を制御する電圧制
御手段を備え、前記バッファー手段が前記光の検出電圧
を出力した後、前記電圧制御手段が、一定の期間、前記
所定電位点の電圧を低下させることを特徴とする請求項
1記載の固体撮像装置。 - 【請求項6】 前記画素が複数個マトリクス状に配列さ
れた画素領域を有し、前記画素領域の各列ごとに垂直信
号線が設けられ、各画素の前記バッファー手段の出力電
圧はその画素が対応する前記垂直信号線を通じて出力さ
れ、前記信号経路と前記第2の信号経路とが、前記画素
領域を挟んで垂直信号線の両端部に設けられていること
を特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 【請求項7】 前記リセットゲートの電圧を制御する電
圧制御手段を備え、前記電圧制御手段は、前記バッファ
ー手段が前記第2の光の検出電圧を出力する期間におけ
る前記リセットゲートの電圧を、前記バッファー手段が
前記光の検出電圧を出力する期間における前記リセット
ゲートの電圧よりも高く設定することを特徴とする請求
項1記載の固体撮像装置。 - 【請求項8】 前記画素部はマトリクス状に配列され、
マトリクスの各列を構成する前記画素部ごとに垂直信号
線が設けられ、各画素部の前記バッファー手段の出力電
圧は画素部が対応する前記垂直信号線を通じて各サンプ
ルホールド手段に供給されることを特徴とする請求項2
記載の固体撮像装置。 - 【請求項9】 前記垂直信号線と基準電位点との間に接
続され、ロードパルスが供給されたときオンするスイッ
チング素子を含み、前記タイミングパルス発生手段は、
各サンプルホールド手段にサンプリングパルスを供給す
る際には、あらかじめ前記ロードパルスを前記スイッチ
ング素子に供給し、前記バッファー手段は、トランジス
ターから成り、同トランジスターのゲートは前記フロー
ティングディフュージョン部に、ドレインは電源にそれ
ぞれ接続され、ソースは、少なくとも前記バッファー手
段が電圧を出力するとき前記垂直信号線に接続されるこ
とを特徴とする請求項8記載の固体撮像装置。
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