JP2006147708A - 撮像デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】光受光素子の電荷蓄積効果による残像を低減する。
【解決手段】画像セルCaは、フォト・ダイオードPDと2つのトランジスタT1,T2とから構成される。フォト・ダイオードPDは、アノードがグランドGNDに接続され、カソードが第1トランジスタT1に接続される。第1トランジスタT1は、ソースがフォト・ダイオードPDのカソードに接続され、ドレインが行選択線に接続され該行選択線を介して駆動信号が供給され、ゲートが第1高電位電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する。第2トランジスタT2は、ゲートがフォト・ダイオードPDと第1トランジスタT1との間のセンスノードに接続され、ドレインが第2高電位電源に接続され、ソースが列信号線に接続される。行方向及び列方向に配列された4つの画像セルCaの第1配置点O1には第1トランジスタT1が形成され、第2配置点O2には第2トランジスタT2が形成される。
【選択図】 図2
【解決手段】画像セルCaは、フォト・ダイオードPDと2つのトランジスタT1,T2とから構成される。フォト・ダイオードPDは、アノードがグランドGNDに接続され、カソードが第1トランジスタT1に接続される。第1トランジスタT1は、ソースがフォト・ダイオードPDのカソードに接続され、ドレインが行選択線に接続され該行選択線を介して駆動信号が供給され、ゲートが第1高電位電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する。第2トランジスタT2は、ゲートがフォト・ダイオードPDと第1トランジスタT1との間のセンスノードに接続され、ドレインが第2高電位電源に接続され、ソースが列信号線に接続される。行方向及び列方向に配列された4つの画像セルCaの第1配置点O1には第1トランジスタT1が形成され、第2配置点O2には第2トランジスタT2が形成される。
【選択図】 図2
Description
本発明は、撮像デバイスに関するものである。
従来、種々の画像データを取得するために、MOS型の撮像デバイスが用いられている。この種の撮像デバイスは、フォト・ダイオードのpn接合容量に蓄積した電荷をMOS型のトランジスタ(例えば、電界効果型トランジスタ(FET))を介して読み出すようになっている。
一般に、MOS型等の撮像デバイスは、撮影に用いられるネガ・フィルムに比べてラティテュード、即ちダイナミック・レンジが狭いと言われている。ラティテュードが狭いことは、画像の暗い部分が黒い画素データとして記録され、画像の明るい部分が白い画素データとして記録される。
このダイナミック・レンジを拡大する技術として、対数変換型の撮像デバイスがある(例えば、特許文献1,非特許文献1参照)。例えば、特許文献1に開示された画像セルは、光受光素子を第1のMOSトランジスタの一方の端子と第2のMOSトランジスタのゲート端子との間に接続され、第1のMOSトランジスタの他方の端子は電圧供給源の一方の電極に接続されている。そして、サブ・スレッショルド領域にて動作する第1のMOSトランジスタにより画像セル中で対数変換を行い、その変換結果を出力する。
米国特許5608204号明細書
映像メディア学会誌、Vol.54、No.2、pp.224−、2000年
ところが、上記の特許文献1と非特許文献1に開示された撮像デバイスは、明暗の差が大きくその明点が移動する場合、光受光素子に流れる光電流(入射光量に応じて流れる電流)が小さい方に急激に変化した画像セルにおいて、対数変換の応答速度によって光受光素子に蓄積された電荷が残存する。このように電荷が残留した状態で撮像動作が行われるため、残像現象が生じるという問題がある。
この発明は、光受光素子の電荷蓄積効果による残像を低減することを目的とする。
この発明による撮像デバイスは、矩形状の領域に形成され、光受光素子と1導電チャネル型のトランジスタを備え、入射光量に応じて対数特性を持つ信号を出力する撮像デバイスであって、第1端子が第1電源に接続された前記光受光素子と、第1端子が前記光受光素子の第2端子に接続され、第2端子に駆動信号が供給され、ゲートが第2電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する第1トランジスタと、ゲートが前記光受光素子と前記第1トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第1端子が第3電源に接続され、第2端子から前記センスノードの電位を増幅した信号を出力する第2トランジスタと、を備え、前記第1トランジスタは矩形状の前記領域の1つの頂点に配置され、前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタが配置された頂点と対角の頂点に配置されたものである。
この発明によると、光受光素子に流れる光電流、つまり光受光素子で光電変換した信号電荷は、等価的にキャパシタとして動作する光受光素子の電圧変化に置き換えられ、第1レベルの駆動信号によってサブ・スレッショルド領域で動作する第1トランジスタにより対数変換した信号を出力する。また、第2レベルの駆動信号によって第1トランジスタの第1端子と第2端子とを同電位に制御し、光受光素子の第1端子と第2端子とを実質的に短絡することでリセットを行い、残像を低減する。
また、画像セルは光受光素子と2つのトランジスタとから構成される。従って、所定の面積にて画像セルを形成する場合、トランジスタの数が少ないほど光受光素子の面積が大きくなる、つまり画像セルの面積に対する光受光素子の面積の比率が大きくなる。これにより、トランジスタの数が多い画像セルに比べて同じ受光量に対して光受光素子に流れる電流(フォトカレント)の量が多くなり、センスノードにおけるS/N比(signal-to-noise ratio )が改善される。そして、画像セルの出力信号を受ける増幅回路において増幅率を高くすることができ、高感度化を図ることができる。更に、第1トランジスタと第2トランジスタを矩形状の領域の対角頂点に形成することで、フォト・ダイオードの面積を大きくし、高感度化をはかることができる。
この発明の一態様においては、前記第2電源を供給する第1電源配線と、前記第3電源を供給する第2電源配線とを有し、前記第1電源配線と前記第2電源配線は、矩形状の前記領域の1つの頂点を形成する2つの辺に沿って延びるようにそれぞれ形成される。
この発明による撮像デバイスは、複数の行選択線と複数の列信号線の交点に接続されて行列配列された複数の画像セルを備え、前記各画像セルは、矩形状の領域に形成され、光受光素子と1導電チャネル型のトランジスタを備え、入射光量に応じて対数特性を持つ信号を出力する、撮像デバイスであって、前記画像セルは、第1端子が第1電源に接続された前記光受光素子と、第1端子が前記光受光素子の第2端子に接続され、第2端子が前記行選択線に接続され該行選択線を介して駆動信号が供給され、ゲートが第2電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する第1トランジスタと、ゲートが前記光受光素子と前記第1トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第1端子が第2電源に接続され、第2端子が前記列信号線に接続された第2トランジスタと、を備え、行方向及び列方向に配列された4つの画像セルの中心点には前記第1トランジスタ又は前記第2トランジスタが形成されたものである。
この発明によると、光受光素子に流れる光電流、つまり光受光素子で光電変換した信号電荷は、等価的にキャパシタとして動作する光受光素子の電圧変化に置き換えられ、第1レベルの駆動信号によってサブ・スレッショルド領域で動作する第1トランジスタにより対数変換した信号を出力する。また、第2レベルの駆動信号によって第1トランジスタの第1端子と第2端子とを同電位に制御し、光受光素子の第1端子と第2端子とを実質的に短絡することでリセットを行い、残像を低減する。
また、画像セルは光受光素子と2つのトランジスタとから構成される。従って、所定の面積にて画像セルを形成する場合、トランジスタの数が少ないほど光受光素子の面積が大きくなる、つまり画像セルの面積に対する光受光素子の面積の比率が大きくなる。これにより、トランジスタの数が多い画像セルに比べて同じ受光量に対して光受光素子に流れる電流(フォトカレント)の量が多くなり、センスノードにおけるS/N比(signal-to-noise ratio )が改善される。そして、画像セルの出力信号を受ける増幅回路において増幅率を高くすることができ、高感度化を図ることができる。更に、第1トランジスタと第2トランジスタを矩形状の領域の対角頂点に形成することで、フォト・ダイオードの面積を大きくし、高感度化をはかることができる。
この発明の一態様においては、前記第2電源を供給する第1電源配線と、前記第3電源を供給する第2電源配線とが設けられ、前記第1電源配線は前記行選択線と平行に形成され、前記第2電源配線は前記列信号線と平行に形成され、前記第1電源配線と前記第2電源配線は、矩形状の前記領域の1つの頂点を形成する2つの辺に沿って延びるようにそれぞれ形成されたものである。
この発明の一態様においては、任意の前記中心点のうち、前記第1電源配線のみが配設された第1中心点には前記第1トランジスタが形成され、前記第2電源配線のみが配設された第2中心点には前記第2トランジスタが形成されたものである。従って、第1電源配線と第1トランジスタ、第2電源配線と第2トランジスタが容易に接続されるとともに、電源配線とトランジスタとを接続する配線が不要となり、フォト・ダイオードを形成する領域を大きくする、又はフォト・ダイオードの上層に配線がないため、フォト・ダイオードにおける受光量を多くして高感度化をはかることができる。
この発明の一態様においては、4つの画像セルを構成する4つの第1トランジスタは、それらの中心点が前記第1中心点と一致するように形成され、4つの画像セルを構成する4つの第2トランジスタは、それらの中心点が前記第2中心点と一致するように形成されたものである。従って、1つの電源配線に対して4つのトランジスタが容易に接続されるとともに、4つのトランジスタに対して共通な1つの電源配線により電源が供給されるため、配線の数が少なくなり、フォト・ダイオードにおける受光量を多くして高感度化をはかることができる。
以上記述したように、本発明によれば、フォト・ダイオードの電荷蓄積効果による残像を低減するMOS型撮像デバイスを提供することができる。
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図1〜図4に従って説明する。
図4は、固体撮像装置の概略ブロック回路図である。
固体撮像装置10は、撮像部11、内部クロック発生回路12、垂直走査回路13、水平走査回路14、出力回路15を含む。
図4は、固体撮像装置の概略ブロック回路図である。
固体撮像装置10は、撮像部11、内部クロック発生回路12、垂直走査回路13、水平走査回路14、出力回路15を含む。
撮像部11は、行列配列された複数の画像セルCaを備えている。尚、図2には、4行4列のマトリックス状に配列された画像セルCaを示している。
内部クロック発生回路12は、クロック信号Φ0が入力され、該クロック信号Φ0に基づいて垂直クロック信号Φwと水平クロック信号Φtを生成する。
内部クロック発生回路12は、クロック信号Φ0が入力され、該クロック信号Φ0に基づいて垂直クロック信号Φwと水平クロック信号Φtを生成する。
垂直走査回路13は、垂直方向のシフトレジスタであり、m本の行選択線W1〜Wmが接続されている。水平走査回路14は複数(図4においてn個)の増幅回路16とシフトレジスタ17とを含み、n本の列信号線BL1〜BLnが接続されている。それら行選択線W1〜Wmと列信号線BL1〜BLnの交点に画像セルCaが接続されている。
垂直走査回路13は、垂直クロック信号Φwに基づいて行選択線W1〜Wmを順次駆動する。行選択線W1〜Wmに接続された画像セルCaは、行選択線W1〜Wmを介して供給される駆動信号に応答して光電変換信号を列信号線BL1〜BLnに出力する。
水平走査回路14を構成する増幅回路16は各列信号線BL1〜BLnが接続されている。各増幅回路16は、列信号線BL1〜BLnを介して入力される光電変換信号を増幅する増幅部と、その増幅部の出力信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル(A/D)変換部を含む。
水平走査回路14を構成するシフトレジスタ17は、増幅回路16から出力されるデジタル信号を水平クロック信号Φtに基づいて出力回路15に転送する。
出力回路15は、水平走査回路14から出力される信号のパルス幅を伸長した出力信号outを生成し出力する。
出力回路15は、水平走査回路14から出力される信号のパルス幅を伸長した出力信号outを生成し出力する。
次に、画像セルの構成を説明する。
図1は、本実施形態の画像セルCaの回路図である。
この画像セルCaは、フォト・ダイオードPDと、2つのトランジスタT1,T2とから構成されている。第1及び第2トランジスタT1,T2は、1導電チャネル型のトランジスタ(本実施形態ではNチャネル型MOSトランジスタ)であり、バックゲートが第1電源としてのグランドGNDに接続されている。
図1は、本実施形態の画像セルCaの回路図である。
この画像セルCaは、フォト・ダイオードPDと、2つのトランジスタT1,T2とから構成されている。第1及び第2トランジスタT1,T2は、1導電チャネル型のトランジスタ(本実施形態ではNチャネル型MOSトランジスタ)であり、バックゲートが第1電源としてのグランドGNDに接続されている。
フォト・ダイオードPDは、アノードが低電位電源(本実施形態ではグランドGND)に接続され、カソードが第1トランジスタT1に接続されている。第1トランジスタT1は、第1端子(ソース)がフォト・ダイオードに接続され、第2端子が行選択線W1に接続され、ゲートが第2電源としての第1高電位電源Vdd1に接続されている。
フォト・ダイオードPDと第1トランジスタT1との間の接続点であるセンスノードN1は第2トランジスタT2に接続されている。第2トランジスタT2は、ゲートがセンスノードN1に接続され、ソースが列信号線BL1に接続され、ドレインが第3電源としての第2高電位電源Vdd2に接続されている。
このように構成された画像セルCaは、行選択線W1の電位に従って動作する。
その行選択線W1の電位は、垂直走査回路13から供給され、その波形は垂直クロック信号Φwと実質的に同じ波形を持つ。尚、ここでは、行選択線W1に供給される電位を持つ信号をΦw1とする。この駆動信号Φw1は、図3に示すように、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとを所定の時定数によりなまらせた台形状の波形を持つ。例えば、垂直走査回路13は、駆動信号Φw1を、パルス幅tkの10〜20パーセントの立ち上がり幅tr及び立ち下がり幅tfを持つように生成している。更に、垂直走査回路13は、LレベルがグランドGNDレベルであり、Hレベルが第1高電位電源Vdd1レベルであるように駆動信号Φw1を生成している。
その行選択線W1の電位は、垂直走査回路13から供給され、その波形は垂直クロック信号Φwと実質的に同じ波形を持つ。尚、ここでは、行選択線W1に供給される電位を持つ信号をΦw1とする。この駆動信号Φw1は、図3に示すように、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとを所定の時定数によりなまらせた台形状の波形を持つ。例えば、垂直走査回路13は、駆動信号Φw1を、パルス幅tkの10〜20パーセントの立ち上がり幅tr及び立ち下がり幅tfを持つように生成している。更に、垂直走査回路13は、LレベルがグランドGNDレベルであり、Hレベルが第1高電位電源Vdd1レベルであるように駆動信号Φw1を生成している。
この駆動信号Φw1が供給された画像セルCaにおいて、駆動信号Φw1がHレベルであるとき、その駆動信号Φw1が第2端子に供給された第1トランジスタT1がフォト・ダイオードPDに流れる光電流によってサブ・スレッショルド領域にて動作し、対数変換された信号電圧が第2トランジスタT2のゲートに供給される。第2トランジスタT2は、ソース・フォロワ出力回路を構成し、ソース・フォロワ出力を列信号線BL1に直接導出する。このように、ノードN1の電位が光電変換信号として列信号線BL1に出力される。
一方、駆動信号Φw1がLレベルであるとき、その駆動信号Φw1が第2端子に供給された第1トランジスタT1は、ゲートに第1高電位電源Vdd1が供給されているため、ゲートと第2端子との電位差によってオンする。第1トランジスタT1がオンすると、センスノードN1の電位はLレベル、つまりグランドGNDレベルとなる。このセンスノードN1がグランドGNDレベルになることは、フォト・ダイオードPDのカソード端子をグランドGNDに接続する、つまりアノード端子とカソード端子とを短絡する。これにより、フォト・ダイオードPDにて発生された電荷が残存しない、即ちフォト・ダイオードPD(センスノードN1)がリセットされる。
駆動信号Φw1の波形をなまらせることは、ノイズ発生を防ぐ。つまり、駆動信号Φw1の電位を急激に立ち上げると、第1トランジスタT1が急激に動作するため、光電流にリンギング等のノイズが発生する。同様に、駆動信号Φw1の電位を急激に立ち下げると、ノイズが発生する。このため、駆動信号Φw1の立ち上がり及び立ち下がりをなまらせることで、これらのノイズを抑える。
図4に示す増幅回路16は、列信号線BL1に読み出された信号を増幅し、水平クロック信号Φtに基づいてサンプリングしA/D変換する。この水平クロック信号Φtは、フォト・ダイオードPDで十分に光電流が発生している時期にサンプリングするようにタイミングが設定されている。
そして、シフトレジスタ17は、増幅回路16の出力信号を出力回路15に転送し、出力回路15は、入力信号のパルス幅を所定のパルス幅(本実施形態では幅tk)に伸張した出力信号outを生成し、それを出力する。
上記したように、第2トランジスタT2は、ソース・フォロワ出力回路を構成し、ソース・フォロワ出力を列信号線BL1に直接導出する。これにより、画像セルCaを構成する素子数が従来例(例えば特許文献1に開示された6個のトランジスタにより構成される画像セル)に比べて少なくなる。このことは、画像セルCaを面積が小さい固体撮像装置において、各画像セルCaから出力される信号(光電変換信号)のS/N比(signal-to-noise ratio )を第1の実施の形態に比べて改善する。
即ち、従来例と本実施形態の画像セルCaを同じ面積にて形成した場合、トランジスタの数が少ない方がフォト・ダイオードPDの受光面積が大きくなる。これは、トランジスタを形成した部分は、光が透過しないためである。フォト・ダイオードPDの受光面積に応じて光電流が発生する。従って、本実施形態の画像セルCaが出力する信号の量(電位)に対するノイズ量(電位)の比、即ちS/N比は、従来例のS/N比に比べて大きくなる。
そして、画像セルCaの出力信号におけるS/N比を良くすることは、列信号線BL1が接続された増幅回路16(図4参照)における信号の増幅率を大きくすることができる。このため、A/D変換部に入力する信号レベルを高くすることができ、出力信号の電位を高くする、即ち高感度化することができる。
図3は、撮像部11の一部のレイアウトを示す平面図である。
撮像部11は、隣接して配列された複数の画像セルCaを備えている。各画像セルCaは、図3において2点鎖線で区画された矩形状の領域に形成されている。複数の画像セルCaは、垂直方向(図において縦方向)と水平方向(図において横方向)とに等間隔にて配列されている。即ち、各画像セルCaは、正方形の領域内に形成されている。尚、画像セルCaを長方形の領域内に形成する、即ち垂直方向と水平方向の配列間隔を異なるようにしてもよい。
撮像部11は、隣接して配列された複数の画像セルCaを備えている。各画像セルCaは、図3において2点鎖線で区画された矩形状の領域に形成されている。複数の画像セルCaは、垂直方向(図において縦方向)と水平方向(図において横方向)とに等間隔にて配列されている。即ち、各画像セルCaは、正方形の領域内に形成されている。尚、画像セルCaを長方形の領域内に形成する、即ち垂直方向と水平方向の配列間隔を異なるようにしてもよい。
撮像部11は、水平方向に沿って延びる複数の第1電源配線V1と、垂直方向に沿って延びる複数の第2電源配線V2とを備えている。つまり、第1電源配線V1と第2電源配線V2は、互いに直交する方向に沿って延びるように形成されている。第1電源配線V1は、各画像セルCaに第1高電位電源Vdd1を供給するための配線であり、第2電源配線V2は、各画像セルCaに第2高電位電源Vdd2を供給するための配線である。
第1電源配線V1は、それらの中心の垂直方向の間隔が2つ分の画像セルCaの垂直方向の長さにて配列されている。第1電源配線V1は、垂直方向において隣接する2つの画像セルCaの境界上に配置されている。
第2電源配線V2は、それらの中心の水平方向の間隔が2分の画像セルCaの水平方向の長さにて配列されている。そして、第1電源配線V1は、第2電源配線V2は、水平方向において隣接する2つの画像セルCaの境界上に配置されている。
つまり、図3に示すように、互いに直交する方向に沿って延びる第1電源配線V1と第2電源配線V2は矩形状の複数の領域を形成し、各領域には2行2列に配列された4つの画像セルCaが配設されている。従って、矩形状に形成された各画像セルCaに対して、1つの頂点を形成する2つの辺に沿って第1電源配線V1と第2電源配線V2とが配設されている。
これら4個の画像セルCaは、互いの境界線を中心とした面対称にて形成されている。今、4個の画像セルCaを、画像セルCa11,Ca12,Ca21,Ca22とする。画像セルCa11と画像セルCa12は、水平方向に隣接し、画像セルCa21と画像セルCa22は、水平方向に隣接している。
各第1電源配線V1の両側(図3において上下両側)には、行選択線Wが、各第1電源配線V1に沿って延びるように形成されている。各第2電源配線V2の両側(図3において左右両側)には、列信号線BLが、各第2電源配線V2に沿って延びるように形成されている。
第1電源配線V1及び第2電源配線V2によって形成される領域に配設された2つの画像セルCa11〜Ca22は、同領域内に含まれる行選択線Wと列信号線BLに接続されている。
撮像部11を構成する画像セルCaに対し、各画像セルCaの中央部にはフォト・ダイオードPDが形成されている。フォト・ダイオードPDは、本実施形態では8角形状に形成されている。
行方向及び列方向に配列された4つの画像セルCaの中心の点(中心点)には、それら画像セルCaに含まれるトランジスタが形成されている。画像セルCaは、図1に示すように、フォト・ダイオードPDに接続された第1トランジスタT1と第2トランジスタT2とを含む。従って、4つの画像セルCaの中心点には、各画像セルCaのフォト・ダイオードPDに接続されたトランジスタが形成されている。
詳述すると、行方向及び列方向に配列された任意の4つの画像セルCaの中心点のうち、第1電源配線V1と第2電源配線V2の何れかが配設された点を配置点とし、その配置点を中心にトランジスタが形成されている。
図3に示すように、第1電源配線V1のみが配設された配置点を第1配置点O1とし、第2電源配線V2のみが配設された配置点を第2配置点O2とする。第1配置点O1には、第1電源配線V1を介して第1高電位電源Vdd1が供給される第1トランジスタT1が形成され、第2配置点O2には、第2電源配線V2を介して第2高電位電源Vddが供給される第2トランジスタT2が形成されている。
第1配置点O1と第2配置点O2は、それぞれ矩形状に形成された画像セルCaの領域の頂点である。そして、第1配置点O1と第2配置点O2の周りに配置された画像セルCaは、それぞれ第1トランジスタT1と第2トランジスタT2を含む。従って、4つの画像セルCaに含まれる第1トランジスタT1は、それらの中心が第1配置点O1と一致するように形成されている。同様に、4つの画像セルCaに含まれる第2トランジスタT2は、それらの中心が第2配置点O2と一致するように形成されている。
各トランジスタT1,T2の形状を、図2に従って詳述する。
図2は図3の一部拡大図である。尚、図2では、図3に示す電源配線V1,V2、行選択線W、列信号線BLを省略している。
図2は図3の一部拡大図である。尚、図2では、図3に示す電源配線V1,V2、行選択線W、列信号線BLを省略している。
第1トランジスタT1は、図3に示す第1電源配線V1に沿って(図2において横方向に沿って)配列されたソース領域31及びドレイン領域32と、ソース領域31とドレイン領域32との間に形成され第1電源配線V1と直交する方向(図2において上下方向)に沿って延びるゲート配線33とを有している。ソース領域31はその一部がフォト・ダイオードPDと重なるように形成されている。ドレイン領域32は、水平方向に隣接する画像セルCaの第1トランジスタT1を構成するドレイン領域32と連続して形成され、そのドレイン領域32は行選択線Wと接続されている。第1配置点O1を中心に形成された4つのトランジスタT1は、ゲート配線33が電気的に接続されるとともに第1電源配線V1と接続されている。
第2配置点O2を中心に形成された4つの第2トランジスタT2は、ソース領域34とドレイン領域35が環状に配置され、ゲート配線36がソース領域34とドレイン領域35との間であって第2配置点O2に向かって延びるように形成されている。そのゲート配線36は、フォト・ダイオードPDと配線及びコンタクタを介して接続されている。
上記した撮像部11の画像セルCaにおいて、第1配置点O1と第2配置点O2は、矩形状の画像セルCaの対角頂点であり、その第1配置点O1には第1トランジスタT1が形成され、第2配置点O2には第2トランジスタT2が形成されている。従って、第1トランジスタT1と第2トランジスタT2を隣接させて形成した場合や、隣り合う2つの頂点に形成した場合に比べ、画像セルCaの領域に対してフォト・ダイオードPDの直径を大きくすることができる。画像セルCaは、フォト・ダイオードPDの面積が大きいほど入射光に対する光電流の量が多くなる、つまり受光感度が高くなる。
以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)画像セルCaは、フォト・ダイオードPDと2つのトランジスタT1.T2とから構成される。フォト・ダイオードPDは、アノードがグランドGNDに接続され、カソードが第1トランジスタT1に接続されている。第1トランジスタT1は、ソースがフォト・ダイオードPDのカソードに接続され、ドレインが行選択線W1に接続され該行選択線W1を介して駆動信号Φw1が供給され、ゲートが第1高電位電源Vdd1に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する。第2トランジスタT2は、ゲートがフォト・ダイオードPDと第1トランジスタT1との間のセンスノードN1に接続され、ドレインが第2高電位電源Vdd2に接続され、ソースが列信号線BL1に接続されている。そして、行方向及び列方向に配列された4つの画像セルCaの中心点には第1トランジスタT1又は第2トランジスタT2が形成されている。
(1)画像セルCaは、フォト・ダイオードPDと2つのトランジスタT1.T2とから構成される。フォト・ダイオードPDは、アノードがグランドGNDに接続され、カソードが第1トランジスタT1に接続されている。第1トランジスタT1は、ソースがフォト・ダイオードPDのカソードに接続され、ドレインが行選択線W1に接続され該行選択線W1を介して駆動信号Φw1が供給され、ゲートが第1高電位電源Vdd1に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する。第2トランジスタT2は、ゲートがフォト・ダイオードPDと第1トランジスタT1との間のセンスノードN1に接続され、ドレインが第2高電位電源Vdd2に接続され、ソースが列信号線BL1に接続されている。そして、行方向及び列方向に配列された4つの画像セルCaの中心点には第1トランジスタT1又は第2トランジスタT2が形成されている。
この構成によると、フォト・ダイオードPDに流れる光電流、つまりフォト・ダイオードPDで光電変換した信号電荷は、等価的にキャパシタとして動作するフォト・ダイオードの電圧変化に置き換えられ、第1レベルの駆動信号によってサブ・スレッショルド領域で動作する第1トランジスタT1により対数変換した信号を出力する。また、第2レベルの駆動信号によって第1トランジスタT1のソースとドレインとを同電位に制御し、フォト・ダイオードPDのアノードとカソードとを実質的に短絡することでリセットを行い、残像を低減する。
(2)所定の面積にて画像セルCaを形成する場合、トランジスタの数が少ないほど光受光素子の面積が大きくなる、つまり画像セルCaの面積に対するフォト・ダイオードPDの面積の比率が大きくなる。これにより、トランジスタの数が多い画像セルに比べて同じ受光量に対して光受光素子に流れる電流(フォトカレント)の量が多くなり、センスノードN1におけるS/N比(signal-to-noise ratio )が改善される。そして、画像セルCaの出力信号を受ける増幅回路において増幅率を高くすることができ、高感度化を図ることができる。更に、第1トランジスタT1と第2トランジスタT2を矩形状の領域の対角頂点に形成することで、フォト・ダイオードPDの面積を大きくし、高感度化をはかることができる。
(3)任意の中心点のうち、第1電源配線V1のみが配設された第1配置点O1には第1トランジスタT1が形成され、第2電源配線V2のみが配設された第2配置点O2には第2トランジスタT2が形成される。従って、第1電源配線V1と第1トランジスタT1、第2電源配線V2と第2トランジスタT2が容易に接続されるとともに、電源配線V1,V2とトランジスタT1,T2とを接続する配線が不要となり、フォト・ダイオードPDを形成する領域を大きくする、又はフォト・ダイオードPDの上層の配線を少なくすることができ、フォト・ダイオードPDにおける受光量を多くして高感度化をはかることができる。
(4)任意の4つの画像セルCaを構成する4つの第1トランジスタT1は、それらの中心点が第1配置点O1と一致するように形成されている。また、任意の4つの画像セルCaを構成する4つの第2トランジスタT2は、それらの中心点が第2配置点O2と一致するように形成されている。従って、第1電源配線V1に対して4つの第1トランジスタT1が容易に接続される。同様に、第2電源配線V2に対して4つの第2トランジスタT2が容易に接続される。
更に、4つの第1トランジスタT1に対して共通な1つの電源配線V1により電源が供給されるため、配線の数が少なくなり、フォト・ダイオードPDにおける受光量を多くして高感度化をはかることができる。同様に、4つの第2トランジスタT2に対して共通な1つの電源配線V2により電源が供給されるため、配線の数が少なくなり、フォト・ダイオードPDにおける受光量を多くして高感度化をはかることができる。
尚、上記実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施の形態では、画像セルCaをフォト・ダイオードPDとNチャネル型MOSトランジスタにて構成したが、Pチャネル型MOSトランジスタを用いて構成してもよい。例えば、図5は、Pチャネル型MOSトランジスタにて構成した画像セルCbを示す。この画像セルCbは、フォト・ダイオードPDと、Pチャネル型MOSトランジスタよりなる2つのトランジスタT11,T12とを備える。フォト・ダイオードPDは、アノードが第1トランジスタT11に接続され、カソードが高電位電源Vddに接続されている。第1トランジスタT11は、第1端子(ソース)がフォト・ダイオードPDに接続され、第2端子(ドレイン)が行選択線W1に接続され、ゲートが低電位電源(図においてグランドGND)接続されている。フォト・ダイオードPDと第1トランジスタT11との間の接続点(センスノードN1)は第2トランジスタT12に接続されている。第2トランジスタT12は、ゲートがセンスノードN1に接続され、ソースが列信号線BL1に接続され、ドレインがグランドGNDに接続されている。そして、行選択線W1には、上記各実施形態の駆動信号Φw1を論理反転したレベルを持つ駆動信号/Φw1が図示しない垂直走査回路から供給される。従って、この画像セルCbは、Lレベルの駆動信号/Φw1に応答して光電変換信号を列信号線BL1に出力し、Hレベルの駆動信号/Φw1に応答してセンスノードN1をリセットする。このように、画像セルCbは、駆動信号/Φw1に応答してセンスノードN1をリセットすることで、残像の発生を抑えることができる。
・上記実施の形態では、画像セルCaをフォト・ダイオードPDとNチャネル型MOSトランジスタにて構成したが、Pチャネル型MOSトランジスタを用いて構成してもよい。例えば、図5は、Pチャネル型MOSトランジスタにて構成した画像セルCbを示す。この画像セルCbは、フォト・ダイオードPDと、Pチャネル型MOSトランジスタよりなる2つのトランジスタT11,T12とを備える。フォト・ダイオードPDは、アノードが第1トランジスタT11に接続され、カソードが高電位電源Vddに接続されている。第1トランジスタT11は、第1端子(ソース)がフォト・ダイオードPDに接続され、第2端子(ドレイン)が行選択線W1に接続され、ゲートが低電位電源(図においてグランドGND)接続されている。フォト・ダイオードPDと第1トランジスタT11との間の接続点(センスノードN1)は第2トランジスタT12に接続されている。第2トランジスタT12は、ゲートがセンスノードN1に接続され、ソースが列信号線BL1に接続され、ドレインがグランドGNDに接続されている。そして、行選択線W1には、上記各実施形態の駆動信号Φw1を論理反転したレベルを持つ駆動信号/Φw1が図示しない垂直走査回路から供給される。従って、この画像セルCbは、Lレベルの駆動信号/Φw1に応答して光電変換信号を列信号線BL1に出力し、Hレベルの駆動信号/Φw1に応答してセンスノードN1をリセットする。このように、画像セルCbは、駆動信号/Φw1に応答してセンスノードN1をリセットすることで、残像の発生を抑えることができる。
・上記実施形態では、撮像部11を4行4列のマトリックス状に形成したが、行数,列数は適宜変更されてもよい。
・上記実施形態では、画像セルCaに対して第1高電位電源Vdd1と第2高電位電源Vdd2とを供給するようにした、つまり第1高電位電源Vdd1を供給する第1電源配線V1と、第2高電位電源Vdd2を供給する第2電源配線V2とを配列した。これを、1つの電源により動作させる、つまり第1トランジスタT1のゲートと第2トランジスタT2のドレインに第1高電位電源Vdd1(又は第2高電位電源Vdd2)を供給するようにしてもよい。この場合、図3において、第1電源配線V1と第2電源配線V2を、それらが交差する点にコンタクタを形成して両電源配線V1,V2を接続する。このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
・上記実施形態では、画像セルCaに対して第1高電位電源Vdd1と第2高電位電源Vdd2とを供給するようにした、つまり第1高電位電源Vdd1を供給する第1電源配線V1と、第2高電位電源Vdd2を供給する第2電源配線V2とを配列した。これを、1つの電源により動作させる、つまり第1トランジスタT1のゲートと第2トランジスタT2のドレインに第1高電位電源Vdd1(又は第2高電位電源Vdd2)を供給するようにしてもよい。この場合、図3において、第1電源配線V1と第2電源配線V2を、それらが交差する点にコンタクタを形成して両電源配線V1,V2を接続する。このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
W,W1〜Wm…行選択線、BL,BL1〜BLn…列信号線、Ca,Ca11〜Ca22…画像セル、N1…センスノード、T1…第1トランジスタ、T2…第2トランジスタ、V1…第1電源配線、V2…第2電源配線。
Claims (6)
- 矩形状の領域に形成され、光受光素子と1導電チャネル型のトランジスタを備え、入射光量に応じて対数特性を持つ信号を出力する撮像デバイスであって、
第1端子が第1電源に接続された前記光受光素子と、
第1端子が前記光受光素子の第2端子に接続され、第2端子に駆動信号が供給され、ゲートが第2電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する第1トランジスタと、
ゲートが前記光受光素子と前記第1トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第1端子が第3電源に接続され、第2端子から前記センスノードの電位を増幅した信号を出力する第2トランジスタと、
を備え、
前記第1トランジスタは矩形状の前記領域の1つの頂点に配置され、前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタが配置された頂点と対角の頂点に配置されたことを特徴とする撮像デバイス。 - 前記第2電源を供給する第1電源配線と、前記第3電源を供給する第2電源配線とを有し、前記第1電源配線と前記第2電源配線は、矩形状の前記領域の1つの頂点を形成する2つの辺に沿って延びるようにそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項1記載の撮像デバイス。
- 複数の行選択線と複数の列信号線の交点に接続されて行列配列された複数の画像セルを備え、前記各画像セルは、矩形状の領域に形成され、光受光素子と1導電チャネル型のトランジスタを備え、入射光量に応じて対数特性を持つ信号を出力する、撮像デバイスであって、
前記画像セルは、
第1端子が第1電源に接続された前記光受光素子と、
第1端子が前記光受光素子の第2端子に接続され、第2端子が前記行選択線に接続され該行選択線を介して駆動信号が供給され、ゲートが第2電源に接続され、サブ・スレッショルド領域で動作する第1トランジスタと、
ゲートが前記光受光素子と前記第1トランジスタとの間のセンスノードに接続され、第1端子が第3電源に接続され、第2端子が前記列信号線に接続された第2トランジスタと、
を備え、
行方向及び列方向に配列された4つの画像セルの中心点には前記第1トランジスタ又は前記第2トランジスタが形成されたことを特徴とする撮像デバイス。 - 前記第2電源を供給する第1電源配線と、前記第3電源を供給する第2電源配線とが設けられ、
前記第1電源配線は前記行選択線と平行に形成され、前記第2電源配線は前記列信号線と平行に形成され、
前記第1電源配線と前記第2電源配線は、矩形状の前記領域の1つの頂点を形成する2つの辺に沿って延びるようにそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項3記載の撮像デバイス。 - 任意の前記中心点のうち、前記第1電源配線のみが配設された第1中心点には前記第1トランジスタが形成され、前記第2電源配線のみが配設された第2中心点には前記第2トランジスタが形成されたことを特徴とする請求項4記載の撮像デバイス。
- 4つの画像セルを構成する4つの第1トランジスタは、それらの中心点が前記第1中心点と一致するように形成され、4つの画像セルを構成する4つの第2トランジスタは、それらの中心点が前記第2中心点と一致するように形成されたことを特徴とする請求項5記載の撮像デバイス。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004333352A JP2006147708A (ja) | 2004-11-17 | 2004-11-17 | 撮像デバイス |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10256521A (ja) * | 1997-02-28 | 1998-09-25 | Eastman Kodak Co | ピクセル機能を相互に共用するアクティブピクセル撮像センサおよびその製造方法 |
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-
2004
- 2004-11-17 JP JP2004333352A patent/JP2006147708A/ja active Pending
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