JP2005057612A - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光感度を低下させることなく、黒化現象を防止する固体撮像装置およびの駆動方法を提供する。
【解決手段】光を電気信号に変換する光電変換手段ＰＨと、光電変換手段ＰＨの出力信号を読み出す読み出し手段ＰＤとを有する画素部と、複数の画素部に共通の信号出力ノードＳＩＧを有する固体撮像装置であって、読み出し手段ＰＤがリセットされた状態において、信号出力ノードＳＩＧの電位を検出する検出手段と、検出された電位を標本化して保持する第１の保持手段と、帰還手段と、クリップ手段とを有する。また、信号線ＳＩＧの電位を標本化し、保持する第２の保持手段３をさらに有する。ここで、帰還手段は、保持手段により保持された電位を、クリップ手段へ帰還する。また、クリップ手段は、帰還された電位を所定の電位にクリップする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法に関する。

電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ、以下、ＣＣＤとも称する）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサなどの固体撮像装置は、各種携帯端末機器、デジタルスチルカメラ、およびデジタルビデオカメラなどの画像撮像装置として用いられている。

図５は、一般的な固体撮像装置の画素部分を示す等価回路図である。図５に示すように、固体撮像装置は、光電変換するフォトダイオードＰＨ、フォトダイオードＰＨからの光電変換信号を転送ゲート信号ＴＧに応じてフォトディテクトノードＰＤに転送する転送トランジスタＴＲ１１、リセット信号ＲＳに応じてフォトディテクトノードＰＤを電源レベルＶｄｄにリセットするリセットトランジスタＴＲ１２、検出ノードＰＤの電圧を増幅する増幅トランジスタＴＲ１３、電流源ＩＳ、選択信号ＳＥＬに応じて増幅トランジスタＴＲ１３により増幅された信号を信号出力ノードＳＩＧに出力する選択トランジスタＴＲ１４を有する。

固体撮像装置の動作を図６および図７を用いて説明する。
図６は、図５において図解した固体撮像装置の構成図である。ｐ型基板１１にｎ型拡散領域１２，１４，１６が形成され、ｐ型基板１１の上に図示しないゲート酸化膜（ＳｉＯ₂ ）を介してゲート電極１３，１５が形成されている。ｐ型基板１１とｎ型拡散領域１２とのｐｎ接合により、フォトダイオードＰＨが形成され、ゲート電極１３とｎ型拡散領域１４とで転送トランジスタＴＲ１１が形成され、ゲート電極１５と拡散領域１６とでリセットトランジスタＴＲ１２が形成されている。なお、選択トランジスタＴＲ１４と増幅トランジスタＴＲ１３、電流源ＩＳは外付回路として構成されている。また、フォトダイオードＰＨを除くｐ型基板１１の上面は、遮光部１８によって遮光されている。

図７は、画素部分の動作波形を示す概略図である。以下、図６の構成図をもとにして図７に示す動作波形を説明する。
図６に示すように、フォトダイオードＰＨに光が照射されると、光の強さに応じて電子（−）と正孔（＋）の対が誘起される（光電変換）。また、図７に示すように、選択トランジスタＴＲ１４において、選択信号ＳＥＬが印加される（時点Ｔ１）。選択信号ＳＥＬを印加すると同時に、リセットトランジスタＴＲ１２において、リセット信号ＲＳを印加する。その結果、検出ノードＰＤが電源レベルＶｄｄにリセットされる（時点Ｔ２）。また、検出ノードＰＤがリセットされた状態において、増幅トランジスタＴＲ３のゲート電極が印加され、信号出力ノードＳＩＧのレベルが設定される。リセット信号ＲＳは、所定の期間のみ印加されるが（時点Ｔ１〜Ｔ３）、その後も検出ノードＰＤおよび信号出力ノードＳＩＧはリセットされた状態を保っている。この状態を、リセット期間ＰＦ、あるいは無信号期間という。

次に、選択信号ＳＥＬは印加されたままで、転送トランジスタＴＲ１１において、転送ゲート信号ＴＧを印加する（時点Ｔ４）。その結果、フォトダイオードＰＨおよび検出ノードＰＤが導通し、フォトダイオードＰＨにおいて蓄積された電荷が移動し、検出ノードＰＤの電位が変化する（時点Ｔ４〜Ｔ５）。また、増幅トランジスタＴＲ１３において、検出ノードＰＤより増幅ゲートに印加され、検出ノードＰＤの信号が増幅されて信号出力ノードＳＩＧに出力される。その結果、信号出力ノードＳＩＧの電位が電位差ＲＳＩ１程度、変化する（時点Ｔ４〜Ｔ５）。上記の状態を、信号読み出し期間ＤＦと言う。

通常、明るい物体を撮像した方が、暗い物体を撮像するよりもリセット期間におけるフォトダイオードＰＨに蓄積される電荷が多いので、信号出力ノードＳＩＧにおける電位差は大きくなる。

しかしながら、太陽光のような非常に強い光を固体撮像装置が直接受光すると、最も明るい部分が黒く沈んでしまう現象（黒化現象）が起こる。
図８および図９を用いて黒化現象について説明する。
図８は、黒化現象を説明する概略図である。上述の図６と実質的に同様の構造を有している。図９は、黒化現象時の画素部分の動作波形を示す概略図である。リセット期間ＰＦにおいて、図６と同様に、選択トランジスタＴＲ１４において、選択信号ＳＥＬが印加される（時点Ｔ’１）。選択信号ＳＥＬを印加すると同時に、リセットトランジスタＴＲ１２において、リセット信号ＲＳを印加する。その結果、検出ノードＰＤが電源レベルＶｄｄにリセットされ、増幅トランジスタＴＲ３において、ゲート電極が印加され、信号出力ノードＳＩＧのレベルが設定される（時点Ｔ’１〜Ｔ’２）。

しかしながら、図８に示すように、フォトダイオードＰＨに太陽光のように非常に強い光が照射されると、ｐ型拡散領域１１とｎ型拡散領域１２とにより形成されるｐｎ接合部に、図６と比較して多量の電子（−）と正孔（＋）の対が誘起される。その結果、光電変換された過剰の電子がフォトダイオードＰＨから溢れだす。そのため、転送ゲート信号ＴＧが印加されていないにもかかわらず、過剰電子は転送トランジスタＴＲ１３を飛び越えて検出ノードＰＤへ到達する。このため、検出ノードＰＤの電位が低下し、増幅トランジスタＴＲ１３の出力が低下し、その結果として、信号出力ノードＳＩＧの電位が低下する（時点Ｔ’２〜Ｔ’４）。

同様に、信号読出し期間ＤＦにおいて、選択信号ＳＥＬは印加されたままで、転送トランジスタＴＲ１１において、転送ゲート信号ＴＧを印加する（時点Ｔ’４）。その結果、フォトダイオードＰＨに蓄積された電子は検出ノードＰＤに移動し、検出ノードＰＤの電位が変化する（時点Ｔ’４〜Ｔ’５）。また、増幅トランジスタＴＲ１３において、検出ノードＰＤより増幅ゲートに印加され、検出ノードＰＤの信号が増幅されて信号出力ノードＳＩＧに出力される。その結果、信号出力ノードＳＩＧの電位が変化する。

このとき、上記のようにリセット期間ＰＦにおいて、過剰の電子が漏れだした結果、信号出力ノードＳＩＧの電位はリセット信号印加時に比べて低下している。その結果、信号読出し期間ＤＦにおける電位差ＲＳＩ２は、強い光が照射されているにもかかわらず低下してしまう。このため、非常に明るいにもかかわらず黒く見えてしまう、黒化現象が生じる。

上記のような黒化現象を回避するための固体撮像装置として、信号出力ノードの電位に出力される電圧が急激に下降することを検出する検出手段と、電圧の下降を検出したときに所定の電圧をリセット電圧として用いるリセット電圧設定手段とを有する固体撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
また、読み出された信号に含まれるノイズ成分に対して差分処理を行う差分手段と、撮像条件を検出する検出手段と、検出手段の出力に応じて差分処理を行うことに対する補正を行う補正手段とを有する固体撮像装置も知られている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２０００−２８７１３１号公報 特開２００１−２４９４９号公報

図１０は、画素部を簡略化して示した図である。転送トランジスタＴＲ１１、リセットトランジスタＴＲ１２、増幅トランジスタＲＥ１３、および選択トランジスタＴＲ１４を簡略化して増幅器２０として、図のように示す。
図１１は、上記の特許文献１に示す黒化現象を回避する固体撮像装置を示すブロック図である。図１１に示すように、上記の固体撮像装置は、信号出力ノードの電位を検出するサンプルホールド回路、比較器、電圧クリップ回路、電圧発生器、およびセレクタからなる黒化防止回路図、クランプ回路、およびサンプルホールド回路を有する。画素部は、図１０に示すように、フォトダイオードＰＨおよびフォトダイオードＰＨによって光電変換される信号を増幅する増幅器２０を有する。

上記の特許文献１においては、図１１に示すように信号検出ノードの電位を検出する回路を全体で１つ用意する。次に、リセット期間において信号出力ノードから検出される電位と、電圧発生器からの電位とを、セレクタにより比較してどちらを用いるか判断する。ここで、強い光が照射され電圧が急激に低下した時は、電圧発生器からの電位を出力する。

このような方法においては、全ての信号出力ノードに対し、黒化現象防止回路、クランプ回路およびサンプルホールド回路を有するので、チップ面積は大きくならずにすむ。しかしながら、各信号出力ノードのばらつきや、各画素センサーのばらつきを補正するのは困難であり、その結果、信号出力ノードあるいは画素部のばらつきが縦筋となって表示される可能性が考えられる。

図１２は、他の従来の固体撮像装置を示す等価回路図である。信号出力ノードごとに、電圧クリップをかけるｎＭＯＳトランジスタを用意して、ｎＭＯＳトランジスタのゲート信号として、所定の電位を印加する。その結果、信号出力ノードの電位低下を抑えることができる。
しかしながら、通常、上記のような電圧クリップ用ｎＭＯＳトランジスタは、強い光が照射されない、いわゆる通常状態においてはゲート信号を印加しないようにゲート電位に余裕を持って設定する。また、ｎＭＯＳトランジスタが作動していない状態において、信号出力ノードの電位がｎＭＯＳトランジスタを作動する電位に近づくと、リークが起こる。その結果、設定された余分以上の電圧降下が起こらないとトランジスタが作動せず、明るい画像が、その分暗くなってしまう。また、スレッショルド電圧のばらつきにも注意しなければならない。

図１３は、特許文献２の固体撮像装置を示すブロック図である。リセットレベルＶｎと信号レベルＶｓとをそれぞれ保持するメモリを水平方向に配置し、このレベル差を画素ごとに検出して、その結果から光電変換手段に照射された光が強いものであるかどうか判断し、補正する。

しかしながら、上記のような方法においては、リセットレベルＶｎと信号レベルＶｓとをそれぞれ保持するメモリを持たねばならず、チップ面積が大きくなる可能性がある。また、複数のメモリを有するため、ラインごとのメモリのばらつき、各メモリのばらつきを持つ可能性も考えられ、技術的な障壁は高い。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光感度を低下させることなく、黒化現象を防止する固体撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、上記の本発明の固体撮像装置は、光を電気信号に変換する光電変換手段と、光電変換手段からの出力信号を読み出す読み出し手段とを有する画素部と、複数の画素部に共通の信号出力ノードとを有する固体撮像装置であって、読み出し手段がリセットされた状態において、信号出力ノードの電位を検出する検出手段と、検出された電位を標本化して保持する第１の保持手段と、帰還手段と、クリップ手段と、少なくとも検出ノードがリセットされた状態において、信号出力ノードの電位を保持する第２の保持手段とを有し、帰還手段は、保持手段により保持された電位をクリップ手段に帰還し、クリップ手段は、帰還された電位を所定の電位にクリップし、第２の保持手段は、読み出し手段がリセットされた状態の電位と、前記光電変換手段からの出力信号を読み出す状態の電位とを比較し、信号出力ノードに含まれるノイズを除去する。

上記の本発明の固体撮像装置においては、検出手段により信号出力ノードの電位を検出し、第１の保持手段によりその電位を保持し、帰還手段により帰還された電位を、クリップ手段により所定の電位にクリップする。それにより、信号出力ノードの電位を変化させることができる。その後、第２の保持手段によって信号出力ノードの電位を再び保持する。このように、信号出力ノードの電位を２度保持する。

また、上記目的を達成するため、上記の本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光を電気信号に変換する光電変換手段と、光電変換手段の信号を読み出す手段とを有する画素部と、複数の画素部に共通の信号出力ノードとを有する固体撮像装置の駆動方法であって、読み出し手段がリセットされた状態において、信号出力ノードの電位を検出する工程と、検出された電位を標本化して保持する工程と、保持された電位を帰還する工程と、帰還された電位を所定の電位にクリップする工程と、少なくとも読み出し手段がリセットされた状態において、信号出力ノードの電位を再び保持する工程と有する。

上記の本発明の固体撮像装置の駆動方法においては、入射光を電気信号に変換する光電変換手段と、光電変換手段の信号を読み出す手段とを有する画素部と、複数の画素部に共通の信号出力ノードとを有する固体撮像装置の駆動方法であって、読み出し手段がリセットされた状態において、信号出力ノードの電位を検出し、検出された電位を標本化して保持し、保持された電位を帰還し、帰還された電位を所定の電位にクリップする。また、少なくとも読み出し手段がリセットされた状態において、信号出力ノードの電位を再び保持する。

以上説明してきたように、本発明の固体撮像装置によれば、光感度を低下させることなく、黒化現象を防止することができる。
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、光感度を低下させることなく、黒化現象を防止することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本実施形態にかかる固体撮像装置を示すブロック図である。画素部１と、信号出力ノードＳＩＧと、検出部２と、第２の保持手段３とを有する。図示は省略するが、信号出力ノードＳＩＧには複数の画素部１が接続されている。画素部１は、たとえば、フォトダイオードＰＨと増幅器４とを有する。検出部２は、検出手段と、保持手段と、帰還手段と、クリップ手段とを有する。図１に示したブロック図の具体的な動作を説明する。

図２は、本実施形態にかかる固体撮像装置を示した等価回路図である。図２に示すように、固体撮像装置において、光電変換するフォトダイオードＰＨ、フォトダイオードＰＨからの光電変換信号を転送ゲート信号ＴＧに応じて検出ノードＰＤに転送する転送トランジスタＴＲ１、リセット信号ＲＳに応じて検出ノードＰＤを電源レベルＶｄｄにリセットするリセットトランジスタＴＲ２、検出ノードＰＤの電圧を増幅する増幅トランジスタＴＲ３からなる画素部を有する。
また、電流源ＩＳ、増幅トランジスタＴＲ３により増幅された信号を出力する信号出力ノードＳＩＧを有する。
さらに、信号出力ノードＳＩＧの電位を検出し、電流変換する検出トランジスタＴＲ６、検出トランジスタＴＲ６により変換された電流を標本化し、保持するキャパシタＣ１、キャパシタＣ１を選択するためのスイッチＳ１、検出トランジスタＴＲ６において検出された電位を信号出力ノードＳＩＧに帰還させるためのインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２、帰還された電位を所定の電位にクリップするクリップトランジスタＴＲ５からなる検出部とを有する。検出部は、電流が保持されるキャパシタＣ１をリセットするリセットトランジスタＴＲ７をさらに有する。本実施形態において、画素部の増幅トランジスタＴＲ３、電流源ＩＳ、検出部は外付回路として形成されている。

フォトダイオードＰＨは、所定のｐｎ接合領域において、入射される光を電気信号に変換し、光電変換手段として働く。
転送トランジスタＴＲ１は、ゲート信号ＴＧに応じてフォトダイオードＰＨからの光電変換信号を検出ノードＰＤへ転送し、転送手段として働く。転送トランジスタＴＲ１は、たとえば、ｎＭＯＳトランジスタから形成され、フォトダイオードＰＨと同一の基板に形成される。
リセットトランジスタＴＲ２は、リセット信号に応じて検出ノードＰＤの電位を電源レベルにし、リセット手段として働く。リセットトランジスタＴＲ２は、たとえば、ｎＭＯＳトランジスタから形成され、フォトダイオードＰＨと同一の基板に形成される。
転送トランジスタＴＲ３は、検出ノードＰＤの電位を所定の電位に増幅し、信号出力ノードＳＩＧに出力し、増幅手段として働く。転送トランジスタＴＲ３は、たとえば、ｎＭＯＳトランジスタから形成される。
検出ノードＰＤは、出力信号を読み出す読み出し手段として働く。
信号出力ノードＳＩＧは、増幅トランジスタＴＲ３で得られた信号を次のカラムＣＤＳ回路へ伝える。
電流源ＩＳは、信号出力ノードＳＩＧに接続され、信号出力ノードＳＩＧに流れる電流が一定になるように調節する。電流源ＩＳは、たとえば、抵抗あるいはトランジスタから形成される。
図２の固体撮像装置においては、選択トランジスタを省略している。しかしながら、必要に応じて選択トランジスタを画素部に含んでいてもよい。また、図示は省略するが、１本の信号出力ノードＳＩＧに対し、複数の画素部を有している。

検出トランジスタＴＲ６は、信号出力ノードＳＩＧの電位を検出し、電流に変換する検出手段として働く。本実施形態において、検出トランジスタＴＲ６は、ゲート信号として信号出力ノードＳＩＧの電位を検出する、たとえば、ｐＭＯＳトランジスタから形成される。このとき、ゲート信号が所定の電位以下になると信号出力ノードＳＩＧの電位は検出されないので、読み出し期間おいては動作しない。また、ソース側の電位は電源レベルになっている。
キャパシタＣ１は、検出トランジスタＴＲ６によって検出し、変換された電流を保持し、第１の保持手段として働く。また、スイッチＳ１は、検出回路とキャパシタＣ１とパルスに応じて接続し、たとえば、トランジスタから形成される。

インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２は、検出トランジスタＴＲ６によって検出された信号を帰還させ、帰還手段として働く。帰還手段により、出力される信号の波形を整え、十分な電圧を出力する。また、一定の期間の動作遅れが生じる。ここで、インバータを２つ有しているので、信号は２回変換され、信号レベルは入力したときと同じ状態になって出力される。
クリップトランジスタＴＲ５は、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２から出力された信号をゲート信号として検出し、所定の電位にクリップし、クリップ手段として働く。クリップトランジスタＴＲ５は、たとえば、ｎＭＯＳトランジスタから形成され、ドレイン領域側は電源レベルに接続されている。このため、クリップされる電位は、電源レベルより低い電位となる。

検出部は、各信号出力ノードＳＩＧごとに形成され、信号出力ノードＳＩＧの電位を検出し、検出した電位を増幅して帰還する。また、検出部をリセットするリセットトランジスＴＲ７を有していてもよい。リセットトランジスタＴＲ７は、外部のパルスＳＷ２からゲート信号を検出し、キャパシタＣ１に保持された電荷がリセットされる。

また、信号線ＳＩＧには、相関２重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ、以下ＣＤＳとも称する。）回路５を有する。ＣＤＳ回路は、出力信号に含まれ、支配的であるリセットノイズを除去する回路であって、リセット期間において保持したデータと、読み出し期間内において保持したデータとを引き算することによりノイズを除去する。ＣＤＳ回路５は、第２の保持手段３として働く。２回目のサンプルホールド（保持）データとして、ＣＤＳ回路において、リセット期間において保持したデータを用いる。

本発明の固体撮像装置は、信号出力ノードＳＩＧの電位を検出部およびＣＤＳ回路を用いて２回サンプルホールドする。

固体撮像装置の動作を図２および図３を用いて説明する。
図３は、画素部分の動作波形を示す概略図である。
画素部における動作は、実質的に図７において説明したものと同様である。ただし、図２においては選択トランジスタを含んでいないので、増幅トランジスタＴＲ３は、検出ノードＰＤからの信号のみにより印加される。フォトダイオードＰＨに光が照射されると、光の強さに応じて電子（−）と正孔（＋）の対が誘起される。図２に示すように、リセットトランジスタＴＲ２において、リセット信号ＲＳを印加する（時点ｔ１）。リセット信号ＲＳを印加するとともに、外部パルスＳＷ１，ＳＷ２を印加する。その結果、検出ノードＰＤが電源レベルＶｄｄにリセットされる。外部パルスＳＷ１により、スイッチＳ１がキャパシタＣ１と接続し、その結果、キャパシタＣ１は検出部に接続される。ここで、キャパシタＣ１の一方はスイッチＳ１により検出回路と接続され、もう一方は、接地されている。また、外部パルスＳＷ２により、スイッチＳ４が接地され、その結果、リセットトランジスタＴＲ７のゲート出力を接地する。

次に、増幅トランジスタＴＲ３において、ゲート電極が印加され、信号出力ノードＳＩＧのレベルが設定される（時点ｔ２）。信号線ＳＩＧの電位が所定の電位以上に上昇すると、検出トランジスタＴＲ６のゲート信号として入力される。その結果、検出トランジスタＴＲ６は、信号出力ノードＳＩＧの電位を検出し、電流変換する。変換された電流は、パルスＳＷ１によってスイッチＳ１がキャパシタＣ１に接続されているので、キャパシタＣ１に電荷が保持される。ここで、リセット信号ＲＳは、所定の期間信号を印加した後にオフされる（時点ｔ３）。また、スイッチＳ４は、外部パルスＳＷ２によって常に接地された状態を維持しているため、ノードＤは接地レベルとなり、リセットトランジスタＴＲ７は印加されない。さらに、キャパシタＣ１に電位を保持することにも影響を与えない。

続いて、検出回路とキャパシタＣ１が接続されている状態において、フォトダイオードＰＨに強い光が照射され、検出ノードＰＤの電位が低下する。また、キャパシタ１が飽和すると、ノードＡに電流が流れる。検出トランジスタＴＲ６は、ｐＭＯＳトランジスタから形成されているので、入力信号となる信号出力ノードＳＩＧの電位が低下すると、ノードＡに流れる電流は増加する。このように、検出トランジスタＴＲ６によって変換された電流は、ノードＡを通って、インバータＩＮＶ１に入力される。入力された信号は、反転されインバータＩＮＶ２に入力される。インバータＩＮＶ２に入力された信号は、再度反転されて出力される。このように、インバータＩＮＶ１，２において、入力信号は２度反転され、波形を整え、所定の割合で増幅される。

インバータＩＮＶ２から出力された電流はノードＢを通って、クリップトランジスタＴＲ５のゲート信号として入力される。このとき、ノードＢの電位はノードＡの電位よりも高い。クリップ用トランジスタＴＲ５は、ゲートに入力された信号に応じて、所定の電位を信号出力ノードＳＩＧに出力する。その結果、信号出力ノードＳＩＧの電位は、引き上げられ、リセット信号ＲＳの印加直後（時点ｔ２）と実質的に等しくなっている。スイッチＳ１は、リセット期間内の所定の時点でオフされる（時点ｔ４）。
以上の工程を、本発明における第１のサンプルホールドと称する。

次に、外部パルスＳＷ２を入力し、スイッチＳ４をオフする（時点ｔ５）。その結果、リセットトランジスタＴＲ７のゲート信号となって印加される。このとき、検出トランジスタＴＲ６において変換された電流もリセットされる。同時に、ＣＤＳ回路においてサンプルホールドを行う。
以上の工程を、本発明における第２のサンプルホールドと称する。

続いて、上記と同様に、転送ゲート信号ＴＧを印加し、フォトダイオードＰＨに蓄積された電荷を転送する（時点ｔ６）。リセット期間ＰＦにおいて，上記のように２度サンプルホールドされるので、フォトダイオードＰＨに強い光が照射されても、信号出力ノードＳＩＧにおける電位が大きく低下することはない。その結果、読出し時に得られる電位差は、光に応じたものを得ることができる。

本実施形態においては、各信号出力ノードごとに検出トランジスタＴＲ６、キャパシタＣ１、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２およびクリップトランジスタＴＲ５とからなる検出部、およびＣＤＳ回路を有する。
その結果、検出部およびＣＤＳ回路において２回サンプルホールドを行うことができる。そのため、強い光がフォトダイオードＰＨに入射されていても、信号出力ノードの電位が下がることがなく、黒化現象を抑制することができる。
また、各信号線ごとに検出部およびＣＤＳ回路により信号出力ノードの電位を調整することができるので、各信号出力ノードのばらつきが抑制できる。
本実施形態における検出部は、入力および出力する信号の関係から外付回路となるが、少ない素子で形成されているので、リセットトランジスタＴＲ７を形成しても、面積がさほど大きくなることはない。

本実施形態の検出部は、リセット期間の電位変化を検出して、信号出力ノードレベルを補正するので、画素部読み出し期間への影響がない。また、検出部の動作、停止は簡単に操作できるので、この機能を使いたくない機種、たとえば、メカシャッター機能などを有するセンサーなどに対しては停止させることで編集設計が容易になる。

本実施形態の駆動方法によれば、信号出力ノードの信号を検出し、電流変換し、保持する。また、変換された電流を帰還し、クリップして信号出力ノードの電位を引き上げる。その後、ＣＤＳ回路において、再び信号出力ノードの電位を保持する。
このように、２度サンプルホールドすることによって、強い光が照射されていても信号出力ノードの電位が大きく低下することはない。そのため、読出し時に、光の強さに応じた電位差が得られる。その結果、黒化現象を抑制することができる。

〔第２の実施形態〕
上記の第１の実施形態における検出部は信号出力ノードの電位に対して敏感である。そのため、本実施形態においては、上記の検出部に信号出力ノードの電位の検出感度を変えるための手段を付加することにより、信号出力ノードの電位に対し不感帯（マージン）を設ける。

図３は、上記の検出部および検出感度変換手段を含む固体撮像装置を示す等価回路図である。
実質的には、図１と同様であるが、ノードＤおよび外部パルスＳＷ１にスイッチ２，Ｓ３を介して接続可能なキャパシタＣ２を有する。キャパシタＣ２の一方は接地され、他方は、スイッチＳ２，Ｓ３と接続されている。スイッチＳ２により、ノードＤに接続され、スイッチＳ３により電源レベルＶｄｄに接続される。また、スイッチＳ２，Ｓ３は外部パルスＳＷ１により制御される。

上記と同様にリセット期間ＰＦにおいて、画素部がリセットされ、その時の信号出力ノードＳＩＧの電位を検出部により検出する。以下、検出感度変換手段の動作についてのみ説明する。他の検出部の動作は上記の実施形態と同様である。
キャパシタＣ１において、外部パルスＳＷ１によりスイッチＳ１がオフされて、電荷の蓄積を終了する（時点ｔ４）。同時に、外部パルスＳＷ１により、スイッチＳ２をキャパシタＣ２と接続して、電源電位に充電していたキャパシタＣ２をキャパシタＣ１と接続させる。このとき、キャパシタＣ１に保持されている電荷は、キャパシタＣ２に保持されている電荷よりも多い。

たとえば、キャパシタＣ１に１００ｆＦ、キャパシタＣ２に１０ｆＦ程度の電荷が保持され、電源電圧を３．０Ｖ、キャパシタＣ１への保持終了直後のノードＤの電位を１．５Ｖとする。
キャパシタＣ２をキャパシタＣ１と接続すると、ノードＤの電位は１．６３６Ｖとなり、０．１３６Ｖのマージンができる。検出トランジスタＴｒ６およびリセットトランジスタＴｒ７のゲートマージンが等しいと仮定すると、上記のマージンは、信号出力ノードの検出マージンとなる。そのため、黒化現象とは関係のない外的要因などで電位が変化しても、検出マージンの範囲においては、回路が動作することはない。

本実施形態の固体撮像装置によれば、信号出力ノードごとに検出部およびＣＤＳ回路を有し、リセット期間内に２回サンプルホールドを行う。また、検出部において、信号出力ノードの信号レベルに対する不感帯を持たせる機能を有する。その結果、黒化現象以外の要因による電位変化に左右されずに、黒化現象を回避することができる。また、各信号出力ノードごとに検出部が形成されているので、画素部や検出回路のばらつき、あるいは温度変化に左右されない回路を提供できる。

また、本実施形態の固体撮像装置の駆動方法によれば、信号出力ノードごとにリセット期間の信号出力ノードを検出回路およびＣＤＳ回路において、２度サンプルホールドする。このとき、信号出力ノードの電位を検出する際に、不感帯を設けることにより、他の要因に依存されずに黒化現象を防止することができる。

本発明は上記の実施形態に限定されない。
たとえば、本実施形態においては、光電変換手段としてフォトダイオードを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、光電変換により電荷を発生することができる素子であれば、他のものを用いてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置を示す等価回路図である。 図３は、本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の動作波形を示す図である。 図４は、本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置を示す等価回路図である。 図５は、従来の技術にかかる固体撮像装置を示す等価回路図である。 図６は、従来の技術にかかる固体撮像装置の動作原理を説明する模式図である。 図７は、固体撮像装置の理想的な動作波形を示す図である。 図８は、従来の技術にかかる固体撮像装置の黒化現象の動作原理を示す模式図である。 図９は、従来の技術にかかる固体撮像装置の動作波形を示す図である。 図１０は、従来の技術にかかる固体撮像装置の一部を省略して示す概略図である。 図１１は、従来の技術にかかる固体撮像装置を示すブロック図である。 図１２は、従来の技術にかかる固体撮像装置を示す回路図である。 図１３は、従来の技術にかかる固体撮像装置を示すブロック図である。

符号の説明

１…画素部、２…検出部、３…第２の保持部、４…増幅器、５…ＣＤＳ回路、ＰＨ…フォトダイオード、ＰＤ…検出ノード（フォトディテクトノード）、ＴＲ１…転送トランジスタ、ＴＲ２…リセットトランジスタ、ＴＲ３…増幅トランジスタ、ＴＲ５…クリップ用トランジスタ、ＴＲ６…検出トランジスタ、ＴＲ７…リセットトランジスタ、Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…スイッチ、Ｖｄｄ…電源、ＩＮＶ１，ＩＮＶ２…インバータ、ＰＦ…リセット期間、ＤＦ…信号読み出し期間、ＴＲ１１…転送トランジスタ、ＴＲ１２…リセットトランジスタ、ＴＲ１３…増幅トランジスタ、ＴＲ１４…選択トランジスタ、ＳＩＧ…信号出力ノード、ＲＳＩ１，ＲＳＩ２…電位差、１１…ｐ型基板、１２，１４，１６…ｎ型拡散領域、１３，１５…ゲート電極、１８…遮光部、２０…増幅器

Claims (5)

1. 光を電気信号に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段からの出力信号を読み出す読み出し手段とを有する画素部と、複数の画素部に共通の信号出力ノードとを有する固体撮像装置であって、
   前記読み出し手段がリセットされた状態において、前記信号出力ノードの電位を検出する検出手段と、
   検出された電位を標本化して保持する第１の保持手段と、
   帰還手段と、
   クリップ手段と、
   少なくとも前記読み出し手段がリセットされた状態において、前記信号出力ノードの電位を保持する第２の保持手段と
   を有し、
   前記帰還手段は、前記保持手段により保持された電位をクリップ手段へ帰還し、
   前記クリップ手段は、帰還された電位を所定の電位にクリップし、
   前記第２の保持手段は、前記読み出し手段がリセットされた状態の電位と、前記光電変換手段からの出力信号を読み出す状態の電位とを比較し、前記信号出力ノードに含まれるノイズを除去する
   固体撮像装置。
2. 前記信号出力ノードごとに、前記検出手段と、前記第１の保持手段と、前記帰還手段と、前記クリップ手段とからなる検出部および前記第２の保持手段と
   を有する請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記検出手段と、前記第１の保持手段と、前記帰還手段と、前記クリップ手段とからなる検出部に、前記信号出力ノードの電位を検出する感度を変える手段と
   をさらに有する請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記検出手段と、前記第１の保持手段と、前記帰還手段と、前記クリップ手段とからなる検出部に、前記第１の保持手段をリセットするリセット手段と
   をさらに有する請求項１記載の固体撮像装置。
5. 光を電気信号に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段の信号を読み出す読み出し手段とを有する画素部と、複数の画素部に共通の信号出力ノードとを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記読み出し手段がリセットされた状態において、信号出力ノードの電位を検出する工程と、
   検出された電位を標本化して保持する工程と、
   保持された電位を帰還する工程と、
   帰還された電位を所定の電位にクリップする工程と、
   少なくとも前記読み出し手段がリセットされた状態において、前記信号出力ノードの電位を再び保持する工程と
   を有する固体撮像装置の駆動方法。
   
   

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