JP2003087662A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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Abstract
スタにおける電位を上げることができ、画素部の低電圧
化を図る。 【解決手段】 リセットトランジスタ120および転送
トランジスタ122は、駆動電源(駆動電圧Vdd)と
PD110の出力との間に縦に接続され、そのソース・
ドレイン間にFD部116が設けられている。また、選
択トランジスタ124と増幅トランジスタ126は、垂
直信号線112と駆動電源との間に縦に接続され、増幅
トランジスタ126のゲートがFD部116が接続され
ている。増幅トランジスタ126と選択トランジスタ1
24の接続位置が従来と逆に駆動電源側に選択トランジ
スタ124が設けられ、垂直信号線112側に増幅トラ
ンジスタ126が設けられている。そして、リセットト
ランジスタ120によるリセット動作の終了後に、選択
トランジスタ124をオンさせる。
Description
を構成する複数の光電変換素子を有し、各光電変換素子
に蓄積された光電荷を複数のトランジスタを用いて読み
出す構造を有する固体撮像装置に関し、特に低電圧化が
可能な固体撮像装置に関する。
て、各撮像画素毎に光電変換用のフォトダイオードと、
このフォトダイオードに蓄積した光電荷の転送、選択、
増幅、リセットを行う各種MOSトランジスタを設けた
MOS型固体撮像装置が提案されている。
における従来の画素部の構成例を示す回路図であり、図
5は、図4に示す画素部の動作例を示すタイミングチャ
ートである。この図4は、フォトダイオード10に蓄積
した光電子を垂直信号線12に出力するまでの構成を示
しており、垂直信号線12の下端側(後述するS/H・
CDS回路への電圧出力)はハイインピーダンスとなっ
ている。また、垂直信号線12の上端側は画素部の外で
定電流源14に接続されている。
(以下、PDという)10の周辺には、4つのMOSト
ランジスタ20、22、24、26が設けられている。
まず、リセットトランジスタ20および転送トランジス
タ22が、駆動電源(駆動電圧Vdd)とPD10の出
力との間に縦に接続されており、リセットトランジスタ
20のソースと転送トランジスタ22のドレインとの間
にフローティングディフュージョン部(以下、FD部と
いう)16が設けられている。また、選択トランジスタ
24と増幅トランジスタ26が、垂直信号線12と駆動
電源(駆動電圧Vdd)との間に縦に接続されており、
増幅トランジスタ26のゲートにFD部16が接続され
ている。
セットパルスが入力され、転送トランジスタ22のゲー
トには転送パルスが入力され、選択トランジスタ24の
ゲートには選択パルスが入力されている。このような構
成において、選択トランジスタ24をONすると、増幅
トランジスタ26と撮像部外の定電流源14がソースフ
ォロアを組むので、垂直信号線12の電位は、増幅トラ
ンジスタ26のゲート電圧すなわちFD部16の電位に
追従した値となる。この値が画素の出力となる。
る駆動方法について説明する。まず、図5の横軸に示す
「t10」のタイミングでは、PD10に光電子を蓄積
する。次に、「t11」のタイミングで選択トランジス
タ24をONする。そして、「t12」のタイミングで
リセットトランジスタ20にリセットパルスを入力し、
FD部16をリセットする。この後、「t13」に示す
期間で、垂直信号線12の電位(リセットレベル)を後
段のS/H・CDS回路で取り込む。そして、「t1
4」のタイミングで転送パルスを入力し、PD10から
FD部16に光電子を転送する。
号線12の電位(光レベル)を後段のS/H・CDS回
路で取り込む。次に、「t16」のタイミングでリセッ
トパルスを入力し、FD部16を再びリセットする。最
後に「t17」のタイミングで選択トランジスタ24を
OFFし、「t10」の状態に戻る。ここで、S/H・
CDS回路は、引き続いて取り込まれた2つの電圧の差
を取り、保持する回路であり、上記動作の場合は、上述
したリセットレベルの値と光レベルの差を取り、信号レ
ベルとして保持する。
な従来の固体撮像装置では、図4に示すように、増幅ト
ランジスタ26ではなく選択トランジスタ24が垂直信
号線12の側に有ることが一般的であった。その理由
は、選択トランジスタ24の閾値落ちによる電圧降下
や、選択トランジスタ24の抵抗増大をきらうためであ
る。一方、図5に示すように、選択トランジスタ24を
ONしている期間中にリセットパルスを入れることが一
般的であった。その理由は、転送パルスとリセットパル
スの状態を同じ(選択トランジスタ24がONしてい
る)にした方が良いという直感からと思われる。そし
て、これら2つの事項のうち、片方を満たす従来例は存
在するが、両方に当てはまるものは知られていないもの
と思われる。
の長所の1つとして、周りのLSIと同様の低電圧で動
作することがある。一方、LSIの進化に伴い、LSI
の電源電圧は5V→3.3V→2.5V→1.8V→
1.3Vというように急速に低下する傾向となってい
る。ここでMOS型固体撮像装置は、ソースフォロアの
動作電圧+信号振幅+マージン分の電圧が必要であり、
信号振幅は500mV〜1Vが要求される。このことか
ら、従来のMOS型固体撮像装置では、TG等の周辺回
路は低電圧化の方向に乗ることができるにもかかわら
ず、画素部の動作に必要な電圧が障害となって、2.5
V以下の電源電圧に対応していくことが困難となってい
た。
たものであり、その目的とするところは、電源電圧を増
大させることなく増幅トランジスタにおける電位を上げ
ることができ、画素部の低電圧化を図ることが可能な固
体撮像装置を提供することにある。
けられた複数の画素部に、受光量に応じて光電荷を蓄積
する光電変換手段と、前記光電変換手段によって蓄積さ
れた光電荷を受け取るフローティングディフュージョン
部と、前記光電変換手段によって蓄積された光電荷を前
記フローティングディフュージョン部に転送する転送手
段と、前記フローティングディフュージョン部から光電
荷に対応する信号を取り出す増幅トランジスタと、前記
フローティングディフュージョン部に印加された光電荷
をリセットするリセットトランジスタと、前記増幅トラ
ンジスタと接続され、増幅トランジスタの出力を撮像部
外の電流源に接続された信号線に選択的に接続する選択
トランジスタとを設け、前記増幅トランジスタは前記選
択トランジスタと信号線との間に挿入され、かつ、前記
リセットトランジスタによるリセット動作の終了後に、
前記選択トランジスタをオンさせることを特徴とする。
ンジスタを選択トランジスタと信号線との間に設け、か
つ、リセットトランジスタによるリセット動作の終了後
に、選択トランジスタをオンさせるという2つの要件を
組み合わせることにより、電源電圧を増大させることな
く増幅トランジスタにおける電位を上げることができ、
その分、画素部の低電圧化を図ることが可能となり、固
体撮像装置の低電圧化を図ることが可能となる。
いて図面を参照して説明する。図1は、本発明の固体撮
像装置における画素部の構成例を示す回路図であり、図
2は、図1に示す画素部の動作例を示すタイミングチャ
ートである。また、図3は、図1に示す画素部が設けら
れるMOS型固体撮像装置の全体構成を示す平面図であ
る。この固体撮像装置において、図4、図5に示す従来
例と異なるところは、増幅トランジスタ126と選択ト
ランジスタ124の接続位置が入れ替わっていること
と、リッセットパルスが選択パルスの外に出ていること
である。
作について順次説明する。図1に示すように、本例の固
体撮像装置の画素部は、フォトダイオード(PD)11
0、垂直信号線112、MOSトランジスタ120、1
22、124、126などを備えて構成されている。ま
た、図1において、垂直信号線112の下端側(後述す
るS/H・CDS回路への電圧出力)はハイインピーダ
ンスとなっており、垂直信号線112の上端側は画素部
の外で定電流源としてのLoadトランジスタ114に
接続されている。
ランジスタ122は、駆動電源(駆動電圧Vdd)とP
D110の出力との間に縦に接続されており、リセット
トランジスタ120のソースと転送トランジスタ122
のドレインとの間にFD部116が設けられている。ま
た、選択トランジスタ124と増幅トランジスタ126
は、垂直信号線112と駆動電源(駆動電圧Vdd)と
の間に縦に接続されており、増幅トランジスタ126の
ゲートにFD部116が接続されている。リセットトラ
ンジスタ120のゲートにはリセットパルスが入力さ
れ、転送トランジスタ122のゲートには転送パルスが
入力され、選択トランジスタ124のゲートには選択パ
ルスが入力されている。そして、本例では、増幅トラン
ジスタ126と選択トランジスタ124の接続位置が従
来と逆になっており、駆動電源側に選択トランジスタ1
24が設けられ、垂直信号線112側に増幅トランジス
タ126が設けられている。
像型固体撮像装置の全体構成について簡単に説明する。
撮像部200は、上述した図1に示す構成の画素部を垂
直方向と水平方向の2次元行列状に多数設けたものであ
る。また、定電流部210は、各画素列に対応して多数
の定電流回路を設けたものであり、S/H・CDS部2
20は、各画素列に対応して多数のS/H・CDS回路
を設けたものである。垂直(V)選択手段230は、各
画素部の行を選択するものであり、水平(H)選択手段
240は、S/H・CDS部220で各S/H・CDS
回路に保持されている信号を順番に水平信号線118に
読み出すものである。この読み出された信号は、出力部
250で処理され、撮像信号として出力される。また、
TG260は、これらの各部の動作に必要なパルスを作
成して出力するタイミングジェネレータである。
動作について説明する。図1に示す構成において、選択
トランジスタ124をONすると、増幅トランジスタ1
26と撮像部外の定電流源(Loadトランジスタ)1
14がソースフォロアを組むので、垂直信号線112の
電位は、増幅トランジスタ126のゲート電圧すなわち
FD部116の電位に追従した値となる点は上記従来例
と同様である。
以下のような動作となる。まず、図2の横軸に示す「t
0」のタイミングでは、PD110に光電子を蓄積す
る。次に、「t1」のタイミングでLoadトランジス
タ114をONする。ここでは定電流源とするため、ゲ
ート電圧は0.8V程度とする。そして、「t2」のタ
イミングでリセットトランジスタ120にリセットパル
スを入力し、FD部116をリセットする。次に、「t
3」のタイミングで選択トランジスタ124をONす
る。この後、「t4」に示す期間で、垂直信号線112
の電位(リセットレベル)を後段のS/H・CDS回路
で取り込む。そして、「t5」のタイミングで転送パル
スを入力し、PD110からFD部116に光電子を転
送する。
線112の電位(光レベル)を後段のS/H・CDS回
路で取り込む。次に「t7」のタイミングで選択トラン
ジスタ124をOFFする。そして、「t8」のタイミ
ングでリセットパルスを入力し、FD部116を再びリ
セットする。最後に「t9」のタイミングでLoadト
ランジスタ114をOFFする。なお、その他の動作は
上記従来例と同様であるものとする。
効果について説明する。まず、「t1」でLoadトラ
ンジスタ114がONすることによって、垂直信号線1
12の電位は0Vになる。そして、「t2」でFD部1
16をリセットすると、リセット後の「t2’」のタイ
ミングにおけるFD部116の電位Vfdは、次の(式
1)のようになる。 Vfd=Vdd−A−B−C ……(式1) ここで、Vddは電源電圧、Aはリセットトランジスタ
120の閾値落ちによる電圧降下分、Bはリセットゲー
トとFD部116との容量結合による電圧降下分、Cは
リセットトランジスタ120のチャネル電子の戻りによ
る電圧降下分である。
の要因でFD部116の電圧は電源電圧Vddよりも下
がってしまう。この電位は、上記従来例の場合の「t1
3」におけるリセットレベル取り込みのときのFD電位
と同じものである。すなわち、上記従来例では、ここで
の電圧降下が低電圧化のネックになっていた。例えば、
Aが0.5V、BとCの合計が0.4Vとすると、ここ
で0.9Vの電圧のロスが生じる。そこで本例では、増
幅トランジスタ126と選択トランジスタ124の位置
が入れ替わっていることと、初めのリセットパルスが選
択トランジスタ124をOFFしているときに立つこと
の両方がなされているために、「t4」のリセットレベ
ル取り込み時のFD電圧を上げることができる。
ンジスタ126と選択トランジスタ124の間のノード
α点は、0Vになっている。そして「t3」で選択トラ
ンジスタ124をONすることにより、α点の電位Vα
は、次の(式2)のようになる。 Vα=Vdd−D−E ……(式2) ここで、Dは選択トランジスタ124の閾値落ちによる
電圧降下分、Eは選択トランジスタ124の抵抗による
電圧降下分である。つまり、α点の電位は、0Vから式
2の値まで上がる。また、α点とFD部116は、増幅
トランジスタ126のゲートを介して容量結合している
ので、このときにFD部116の電位も式1の値から上
昇することになる。その振幅は、例えばVdd=2.5
Vに対して、0.3V〜0.7Vに達し、低電圧化を考
慮すると非常に大きいファクタとなる。
ランジスタが信号線側にあると、図2の動作をしても、
リセットパルスを入れた時点でα’点の電位は0Vより
もVddに近い値となってしまい、選択トランジスタ1
24をONしてもそこから電位が上昇することはないの
で、FD部116の電位を上げることはできない。ま
た、もしも図5に示す従来例の動作のように、初めての
リセットパルスが選択トランジスタ24をOFFしてい
るときに入ると、図1に示す本例の構成になっていて
も、リセットレベル取り込みのときのFD電位は式1の
ものであるので、やはりFD電位を上げることはできな
い。つまり、本例で説明した図1の構成と図2の動作方
法の2つの組み合わせによって、新たな効果、FD電位
を上げ、その分低電圧化をすることができる。
高めるために、式2におけるVαの値が大きい(Vdd
に近い)ことが望ましい。そのために、次のいずれかの
方法によって選択トランジスタ124の閾値落ちの成分
を無くすことが望ましい。 (1)選択トランジスタ124を、それがONしたとき
に選択トランジスタ124の閾値落ちが無いレベルま
で、閾値の低いDepletionトランジスタにす
る。ここでの閾値は、例えばVdd=2.5Vの場合
は、−0.4V以下という通常では作ることの無い値と
する。 (2)選択トランジスタ124のゲートに入るHigh
レベルを、選択トランジスタ124の閾値落ちが無いレ
ベルまで電源電圧よりも高く設定する。例えばVdd=
2.5Vの場合は、3.1V以上とする。
120の閾値落ちの成分を無くすことは可能であり、次
のいずれかの方法を同時に用いることが望ましい。 (1)リセットトランジスタ120を、それがONした
ときにFD部116を電源電圧までリセットできるレベ
ルまで、閾値の低いDepletionトランジスタに
する。ここでの閾値は、例えばVdd=2.5Vの場合
は、−0.4V以下という通常では作ることの無い値と
する。 (2)リセットトランジスタ120のゲートに入るHi
ghレベルを、FD部116を電源電圧までリセット可
能なレベルまで、電源電圧よりも高く設定する。例えば
Vdd=2.5Vの場合は、3.1V以上とする。
手段としてフォトダイオードとMOSトランジスタによ
る転送ゲートを用いていたが、その代わりにMOSトラ
ンジスタによるフォトゲートを用いていても同様の効果
を得ることが可能である。また、画素部の各トランジス
タとLoadトランジスタが全てNMOSで構成してい
たが、これらを全てPMOSに置き換えても、電圧の高
低を入れ替えれば全て同様の構成とすることが可能であ
る。
置によれば、増幅トランジスタを選択トランジスタと信
号線との間に設け、かつ、リセットトランジスタによる
リセット動作の終了後に、選択トランジスタをオンさせ
るという2つの要件を組み合わせることにより、電源電
圧を増大させることなく増幅トランジスタにおける電位
を上げることができ、その分、画素部の低電圧化を図る
ことが可能となり、固体撮像装置の低電圧化を図ること
が可能となる。
を示す回路図である。
ャートである。
構成を示す平面図である。
示す回路図である。
ャートである。
信号線、114……Loadトランジスタ、116……
FD部、118……水平信号線、120……リセットト
ランジスタ、122……転送トランジスタ、124……
選択トランジスタ、126……増幅トランジスタ、20
0……撮像部、210……定電流部、220……S/H
・CDS部、230……垂直(V)選択手段、240…
…H選択手段、250……出力部、260……TG。
Claims (6)
- 【請求項1】 撮像部内に設けられた複数の画素部に、 受光量に応じて光電荷を蓄積する光電変換手段と、 前記光電変換手段によって蓄積された光電荷を受け取る
フローティングディフュージョン部と、 前記光電変換手段によって蓄積された光電荷を前記フロ
ーティングディフュージョン部に転送する転送手段と、 前記フローティングディフュージョン部から光電荷に対
応する信号を取り出す増幅トランジスタと、 前記フローティングディフュージョン部に印加された光
電荷をリセットするリセットトランジスタと、 前記増幅トランジスタと接続され、増幅トランジスタの
出力を撮像部外の電流源に接続された信号線に選択的に
接続する選択トランジスタとを設け、 前記増幅トランジスタは前記選択トランジスタと信号線
との間に挿入され、 かつ、前記リセットトランジスタによるリセット動作の
終了後に、前記選択トランジスタをオンさせる、 ことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項2】 前記リセットトランジスタによるリセッ
ト動作の開始前に、前記選択トランジスタをオフさせる
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 【請求項3】 前記選択トランジスタは、オンした時
に、ほぼ閾値落ちの無いレベルまで閾値の低いデプレッ
ショントランジスタよりな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】 前記選択トランジスタのゲートに入力さ
れる選択パルスのHighレベルは、ほぼ閾値落ちの無
いレベルまで電源電圧よりも高く設定されていることを
特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 【請求項5】 前記リセットトランジスタは、オンした
時に、前記フローティングディフュージョン部をほぼ電
源電圧にリセットできるレベルまで、閾値の低いデプレ
ッショントランジスタよりな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】 前記リセットトランジスタのゲートに入
力されるリセットパルスのHighレベルは、オンした
時に、前記フローティングディフュージョン部をほぼ電
源電圧にリセットできるレベルまで、電源電圧よりも高
く設定さ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。
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