JP2009171035A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプリング制御信号に起因するノイズを低減する。
【解決手段】各垂直信号線１４には、対応する列の画素１１の出力信号が供給される。信号処理部１８は、各信号線１４の信号を処理して各信号線１４の信号に応じた信号を得る。サンプルホールド部１７は、各信号線１４に対応して設けられた光信号用蓄積容量ＣＳ及び差分用信号用蓄積容量ＣＮと、光信号の容量ＣＳへの入力を制御信号φＴＶＳに応じてオンオフするスイッチＴＶＳと、差分用信号の容量ＣＮへの入力を制御信号φＴＶＮに応じてオンオフするスイッチＴＶＮと、を含む。スイッチＴＶＳ，ＴＶＮにそれらがオンオフすべき信号として信号処理部１８から供給される信号は、所定電位ＶＲＥＦ及びそれ以上となるが電位ＶＲＥＦよりも下がらない。制御信号φＴＶＳ，φＴＶＮのオフ信号電位は、グランド電位ＡＧＮＤではなく電位ＶＲＥＦとされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。

ビデオカメラや電子スチルカメラなどでは、ＣＣＤ型や増幅型の固体撮像素子が使用されている。このような固体撮像素子では、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する。増幅型固体撮像素子では、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン等の電荷電圧変換部に導き、電荷電圧変換部で信号電荷を電圧に変換し、その電圧に応じた信号を画素に設けられた増幅部によって画素から出力する。

このような増幅型固体撮像素子では、画素を構成する受光素子や増幅素子のばらつきに起因する固定パターンノイズ（ＦＰＮ）と呼ばれるノイズが発生し易い。そこで、下記特許文献１の図１０に開示された増幅型固体撮像素子では、一般的にカラムアンプ（列増幅回路）等と呼ばれる信号処理部（「増幅回路２１０」）によって、各垂直信号線に出力された信号の電圧変化分を、各垂直信号線の信号に応じた信号として所得し、さらにこの信号処理部の出力について、サンプルホールド部によっていわゆる相関２重サンプリングを行っている。これにより、固定パターンノイズ（ＦＰＮ）が低減される。前記信号処理部（「増幅回路２１０」）の出力は、所定電位ＶＲＥＦ及びそれ以上となるが所定電位ＶＲＥＦよりも下がることはない。

そして、下記特許文献１の図１０に開示された増幅型固体撮像素子では、サンプルホールド部は、サンプリングした信号を蓄積する蓄積容量（「ラインメモリ２１６ｓ」、「ラインメモリ２１６ｎ」）と、前記信号処理部の出力の前記蓄積容量への入力をサンプリング制御信号（「信号φＴＮ」、「信号φＴＳ」）に応じてオンオフするトランジスタからなるサンプリングスイッチ（「列アンプ出力転送スイッチ２１５ｎ」、「列アンプ出力転送スイッチ２１５ｓ」）とを含んでいる。

このような増幅型固体撮像素子では、特許文献１には明示されていないが、従来は、サンプリングスイッチとして例えばエンハンスメント型のｎＭＯＳトランジスタが用いられ、前記サンプリング制御信号の、サンプリングスイッチをオフにする電位は、前記所定電位ＶＲＥＦよりも低い電位であるゼロ電位（グランド電位）とされていた。
特開２００５−３４８０４０号公報の図１０

しかしながら、本発明者の研究の結果、特許文献１の図１０に開示されたような従来の増幅型固体撮像素子では、前記サンプリング制御信号の、サンプリングスイッチをオフにする電位が、前記所定電位ＶＲＥＦよりも低い電位であるゼロ電位（グランド電位）とされていることに起因して、ノイズが増大していることが判明した。この点については、後述する比較例の説明を参照されたい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、サンプリング制御信号に起因するノイズを低減することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による固体撮像素子は、２次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、前記複数の画素の各列に対応して設けられ前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、前記各垂直信号線の信号に応じた信号をサンプリング制御信号に従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号に従って水平信号線へ供給するサンプルホールド部と、を備えたものである。そして、この第１の態様では、前記サンプルホールド部は、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記画素で光電変換された光情報を含む光信号が蓄積される光信号用蓄積容量と、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号が蓄積される差分用信号用蓄積容量と、前記光信号の前記光信号用蓄積容量への入力を光信号用サンプリング制御信号に応じてオンオフする光信号用サンプリングスイッチと、前記差分用信号の前記差分用信号用蓄積容量への入力を差分用信号用サンプリング制御信号に応じてオンオフする差分用信号用サンプリングスイッチと、を含む。また、この第１の態様では、前記光信号用サンプリングスイッチ及び前記差分用信号用サンプリングスイッチにそれらがオンオフすべき信号として供給される信号は、所定電位及びそれ以上となるが前記所定電位よりも下がらない。さらに、この第１の態様では、前記光信号用サンプリング制御信号及び前記差分用信号用サンプリング制御信号のうちの少なくとも一方の制御信号の、対応するサンプリングスイッチをオフにする電位は、前記所定電位である。

本発明の第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記各垂直信号線の信号を処理して前記各垂直信号線の信号に応じた前記信号を得る信号処理部を備え、前記信号処理部は、前記各垂直信号線にそれぞれ対応して設けられた演算増幅器、入力容量、帰還容量、及び、クランプ制御信号に応じてオンオフするクランプ制御スイッチを有するものである。そして、この第２の態様では、前記各演算増幅器の非反転入力端子に前記所定電位が印加される。また、この第２の態様では、前記各垂直信号線に対応するもの毎に、（i）当該垂直信号線が前記入力容量を介して前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、（ii）前記演算増幅器の前記反転入力端子と前記演算増幅器の出力端子との間に前記帰還容量及び前記クランプ制御スイッチが並列に接続され、（iii）前記演算増幅器の出力端子が前記光信号用サンプリングスイッチの一端及び前記差分信号用サンプリングスイッチの一端に接続される。

本発明の第３の態様による固体撮像素子は、２次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、前記複数の画素の各列に対応して設けられ前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、前記各垂直信号線の信号に応じた信号をサンプリング制御信号に従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号に従って水平信号線へ供給するサンプルホールド部と、を備えたものである。そして、この第３の態様では、前記サンプルホールド部は、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記画素で光電変換された光情報を含む光信号が蓄積される光信号用蓄積容量と、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号が蓄積される差分用信号用蓄積容量と、前記光信号の前記光信号用蓄積容量への入力を光信号用サンプリング制御信号に応じてオンオフする光信号用サンプリングスイッチと、前記差分用信号の前記差分用信号用蓄積容量への入力を差分用信号用サンプリング制御信号に応じてオンオフする差分用信号用サンプリングスイッチと、を含む。また、この第３の態様では、前記光信号用サンプリングスイッチ及び前記差分用信号用サンプリングスイッチにそれらがオンオフすべき信号として供給される信号は、所定電位及びそれ以下となるが前記所定電位よりも上がらない。さらに、この第３の態様では、前記光信号用サンプリング制御信号及び前記差分用信号用サンプリング制御信号のうちの少なくとも一方の制御信号の、対応するサンプリングスイッチをオフにする電位は、前記所定電位である。

本発明の第４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記光信号用サンプリング制御信号を前記光信号用サンプリングスイッチに供給するバッファと、前記差分用信号用サンプリング制御信号を前記差分用信号用サンプリングスイッチに供給するバッファと、を備えたものである。

本発明の第５の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有するものである。

本発明によれば、サンプリング制御信号に起因するノイズを低減することができる固体撮像素子を提供することが可能となる。

以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による固体撮像素子１を示す概略ブロック図である。本実施の形態による固体撮像素子１は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子として構成されている。

図１に示すように、本実施の形態による固体撮像素子１は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、２次元状に配置された複数の単位画素１１（図１では、２×２個の画素１１のみを示す。）と、垂直走査回路１２と、水平走査回路１３と、画素１１の各列に対応して設けられ対応する列の画素１１の出力信号が供給される垂直信号線１４と、各垂直信号線１４に接続された定電流源１５とを有している。なお、画素１１の数が限定されるものではないことは、言うまでもない。垂直走査回路１２及び水平走査回路１３は、第１の電源により作動するようになっている。図１において、ＤＶＤＤは前記第１の電源の電源電位、ＤＧＮＤは前記第１の電源のグランド電位である。

各画素１１は、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子と同様に、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードＰＤと、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに電荷を転送する電荷転送部としての転送トランジスタＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタＲＥＳと、当該画素１１を選択するための選択部としての選択トランジスタＳＥＬとを有し、図１に示すように接続されている。なお、本実施の形態では、画素１１のトランジスタＡＭＰ，ＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬは、全てｎＭＯＳトランジスタである。図１において、ＡＶＤＤは第２の電源の電源電位、ＡＧＮＤは前記第２の電源のグランド電位である。

転送トランジスタＴＸのゲートは、行毎に、垂直走査回路１２からの転送トランジスタＴＸを制御する制御信号φＴＸを転送トランジスタＴＸに供給する制御線に、接続されている。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは、行毎に、垂直走査回路１２からのリセットトランジスタＲＥＳを制御する制御信号φＲＥＳをリセットトランジスタＲＥＳに供給する制御線に、接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲートは、行毎に、垂直走査回路１２からの選択トランジスタＳＥＬを制御する制御信号φＳＥＬを選択トランジスタＳＥＬに供給する制御線に、接続されている。

フォトダイオードＰＤは、入射光の光量（被写体光）に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸは、転送パルス（制御信号）φＴＸのハイレベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。リセットトランジスタＲＥＳは、リセットパルス（制御信号）φＲＥＳのハイレベル期間にオンし、フローティングディフュージョンＦＤをリセットする。

増幅トランジスタＡＭＰは、そのドレインが電源電位ＡＶＤＤに接続され、そのゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、そのソースが選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続され、定電流源１５を構成し各垂直信号線１４に対応して設けられたトランジスタＴＤを負荷とするソースフォロア回路を構成している。各トランジスタＴＤのドレインは各垂直信号線１４に接続され、各トランジスタＴＤのソースは接地されている。各トランジスタＴＤのゲートは共通に接続され、そこには、抵抗ＲＬ及びトランジスタＴＳからなる定電流設定回路１５ａによって得た一定電圧が与えられている。これにより、定電流源１５は、垂直信号線１４に対応する画素１１の選択トランジスタＳＥＬがオンされたときに、当該垂直信号線１４に電流を流す。この電流は、当該画素１１の増幅トランジスタＡＭＰのソースフォロアバイアス電流である。

増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧値に応じて、選択トランジスタＳＥＬを介して垂直信号線１４に読み出し電流を出力する。選択トランジスタＳＥＬは、選択パルス（画素制御信号）φＳＥＬのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを垂直信号線１４に接続する。

垂直走査回路１２は、外部からの駆動パルス（図示せず）を受けて、画素１１の行毎に、選択パルスφＳＥＬ、リセットパルスφＲＥＳ及び転送パルスφＴＸをそれぞれ出力する。また、水平走査回路１３は、外部からの駆動パルス（図示せず）を受けて、列毎に水平走査信号φＨを出力する。

また、本実施の形態による固体撮像素子１は、各垂直信号線１４の信号を処理して各垂直信号線１４の信号に応じた信号を得る信号処理部１８を備えている。信号処理部１８は、各垂直信号線１４にそれぞれ対応して設けられた演算増幅器ＯＰ、入力容量ＣＡ、帰還容量ＣＧ、及び、クランプ制御信号φＣＡＲＳＴに応じてオンオフするクランプ制御スイッチＣＡＲＳＴを有し、各演算増幅器ＯＰの出力端子から各垂直信号線１４の信号に応じた信号を出力する。各演算増幅器ＯＰの非反転入力端子には、前記第２の電源のグランド電位ＡＧＮＤと電源電位ＡＶＤＤとの間の中間の所定電位ＶＲＥＦ（前記第２の電源のグランド電位ＡＧＮＤを基準とした電位）が印加されている。各垂直信号線１４に対応するもの毎に、当該垂直信号線１４が入力容量ＣＡを介して演算増幅器ＯＰの反転入力端子に接続されている。また、各垂直信号線１４に対応するもの毎に、演算増幅器ＯＰの反転入力端子と演算増幅器ＯＰの出力端子との間に、帰還容量ＣＧ及びクランプ制御スイッチＣＡＲＳＴが並列に接続されている。演算増幅器ＯＰは、差動増幅回路等を用いて構成されている。演算増幅器ＯＰは、前記第２の電源（グランド電位ＡＧＮＤ及び電源電位ＡＶＤＤ）によって作動するようになっている。前記第２の電源（グランド電位ＡＧＮＤ及び電源電位ＡＶＤＤ）により作動するバッファＢ１が、外部からの制御信号φＣＡＲＳＴ’に応じて、ＡＶＤＤをハイレベルとしＡＧＮＤをローレベルとする２値のクランプ制御信号φＣＡＲＳＴを生成する。このクランプ制御信号φＣＡＲＳＴは、クランプ制御スイッチＣＡＲＳＴに供給される。クランプ制御スイッチＣＡＲＳＴは、ＭＯＳトランジスタで構成され、クランプ制御信号φＣＡＲＳＴがハイレベルの場合にオンする一方、クランプ制御信号φＣＡＲＳＴがローレベルの場合にオフする。

この信号処理部１８によれば、信号φＣＡＲＳＴがハイレベルになると、クランプ制御スイッチＣＡＲＳＴがオンして演算増幅器ＯＰの反転入力端子と出力端子との間が短絡し、演算増幅器ＯＰの出力端子が所定電位ＶＲＥＦにクランプされる。その後、信号φＣＡＲＳＴがローレベルにされてクランプ制御スイッチＣＡＲＳＴがオフした状態において、垂直信号線１４の電圧がΔＶだけ変化すると、演算増幅器ＯＰの出力端子の信号は、｛ＶＲＥＦ−（ＣＡ／ＣＧ）×ΔＶ｝となる。このように、クランプ制御スイッチＣＡＲＳＴがオフすると、入力容量ＣＡと帰還容量ＣＧの比で反転ゲイン（−ＣＡ／ＣＧ）が得られる。光信号は垂直信号線１４では光量に応じて電位が低下する方向に推移するが、前記反転ゲイン（−ＣＡ／ＣＧ）によって反転増幅されるため、演算増幅器ＯＰの出力端子の電位は常に所定電位ＶＲＥＦ以上電源電位ＡＶＤＤ以下の電位となる。よって、演算増幅器ＯＰの出力端子の信号（垂直信号線１４の信号に応じて信号処理部１８により得られる信号）は、所定電位ＶＲＥＦ及びそれ以上となるが、所定電位ＶＲＥＦよりも下がらない。

また、本実施の形態による固体撮像素子１は、各垂直信号線１４の信号に応じた信号（本実施の形態では、信号処理部１８の各演算増幅器ＯＰの出力端子の信号）をサンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳに従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号φＨに従って水平信号線１６Ｎ，１６Ｓへ供給するサンプルホールド部１７を、備えている。

本実施の形態では、サンプルホールド部１７は、各垂直信号線１４に対応して設けられた光信号用蓄積容量ＣＳ及び差分用信号用蓄積容量ＣＮと、画素１１で光電変換された光情報を含む光信号を光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳに従って光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積させる光信号用サンプリングスイッチＴＶＳと、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号を差分用信号用サンプリング制御信号φＴＶＮに従って差分用信号用蓄積容量ＣＮに蓄積させる差分用信号用サンプリングスイッチＴＶＮと、光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積された光信号を水平走査信号φＨに従って光信号用水平信号線１６Ｓに供給する光信号用水平転送スイッチＴＨＳと、差分用信号用蓄積容量ＣＮに蓄積された差分用信号を水平走査信号φＨに従って差分用信号用水平信号線１６Ｎに供給する差分用信号用水平転送スイッチＴＨＮとを有している。本実施の形態では、水平信号線１６Ｎ，１６Ｓをそれぞれ所定タイミングで所定電位ＶＲＥＦにリセットするための各トランジスタＲＴＨＮ，ＲＴＨＳが設けられている。前記第１の電源（グランド電位ＤＧＮＤ及び電源電位ＤＶＤＤ）により作動するバッファＢ４が、外部からの制御信号φＲＴＨ’に応じて、ＤＶＤＤをハイレベル（オン信号）としＤＧＮＤをローレベル（オフ信号）とする２値の制御信号φＲＴＨを生成する。この制御信号φＲＴＨは、クランプ制御スイッチＣＡＲＳＴに供給される。水平信号線１６Ｎ，１６Ｓには、出力アンプＡＰＮ，ＡＰＳがそれぞれ接続されている。本実施の形態では、スイッチＴＶＳ，ＴＶＮ，ＴＨＳ，ＴＨＮ，ＲＴＨＮ，ＲＴＨＳは、全てｎＭＯＳトランジスタである。

図１に示すように、各垂直信号線１４に対応するもの毎に、演算増幅器ＯＰの出力端子が、サンプルホールド部１７の光信号用サンプリングスイッチＴＶＳの一端及び差分信号用サンプリングスイッチＴＶＮの一端に接続されている。これにより、各垂直信号線１４の信号に応じた信号である各演算増幅器ＯＰの出力端子の信号が、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳにそれらがオンオフすべき信号として供給される。本実施の形態では、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳはそれぞれｎＭＯＳトランジスタで構成され、演算増幅器ＯＰの出力端子からそれらのｎＭＯＳトランジスタのドレインに入力される信号が、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳにそれらがオンオフすべき信号として供給される信号となっている。

各差分用信号用サンプリングスイッチＴＶＮのゲートは共通に接続され、そこには差分用信号用サンプリング制御信号φＴＶＮが供給される。前記所定電位ＶＲＥＦ及び前記電源電位ＡＶＤＤにより作動するバッファＢ２が、外部からの制御信号φＴＶＮ’に応じて、差分用信号用サンプリング制御信号φＴＶＮを、電源電位ＡＶＤＤをハイレベルとし所定電位ＶＲＥＦをローレベルとする２値の信号として生成する。差分用信号用サンプリングスイッチＴＶＮは、エンハンスメント型のｎＭＯＳトランジスタで構成され、差分用信号用サンプリング制御信号φＴＶＮがハイレベルの場合にオンする一方、差分用信号用サンプリング制御信号φＴＶＮがローレベルの場合にオフする。なお、前記所定電位ＶＲＥＦは、差分用信号用サンプリングスイッチＴＶＮのゲート電位の閾値電位Ｖｔｈよりも低い。差分用信号用サンプリング制御信号φＴＶＮに応じて差分用信号用サンプリングスイッチＴＶＮがオンすると、演算増幅器ＯＰの出力端子の差分用信号が、対応する差分用信号用蓄積容量ＣＮに蓄積される。

各光信号用サンプリングスイッチＴＶＳのゲートは共通に接続され、そこには光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳが供給される。前記所定電位ＶＲＥＦ及び前記電源電位ＡＶＤＤにより作動するバッファＢ３が、外部からの制御信号φＴＶＳ’に応じて、光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳを、電源電位ＡＶＤＤをハイレベルとし所定電位ＶＲＥＦをローレベルとする２値の信号として生成する。光信号用サンプリングスイッチＴＶＳは、エンハンスメント型のｎＭＯＳトランジスタで構成され、光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳがハイレベルの場合にオンする一方、光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳがローレベルの場合にオフする。なお、前記所定電位ＶＲＥＦは、光信号用サンプリングスイッチＴＶＳのゲート電位の閾値電位Ｖｔｈよりも低い。光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳに応じて光信号用サンプリングスイッチＴＶＳがオンすると、演算増幅器ＯＰの出力端子の光信号が、対応する光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積される。

各列毎に、光信号用水平転送スイッチＴＨＳ及び差分用信号用水平転送スイッチＴＨＮのゲートが共通に接続され、そこには水平走査回路１３から対応する列の水平走査信号φＨが供給される。各列の水平走査信号φＨに応じて、各列の水平転送スイッチＴＨＳ，ＴＨＮがオンすると、対応する列の光信号用蓄積容量ＣＳ及び差分用信号用蓄積容量ＣＮにそれぞれ蓄積されていた光信号及び差分用信号が、光信号用水平信号線１６Ｓ及び差分用信号用水平信号線１６Ｎにそれぞれ出力され、それぞれ出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮを介して、外部信号処理部（図示せず）へ出力される。図面には示していないが、この外部信号処理部は、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮの出力間の差分を、差動アンプ等によって得る。これにより相関２重サンプリングが実現され、この外部信号処理部から、画像信号として、固定パターンノイズ等が除去された光情報信号が得られる。なお、このような差分を得る差動アンプ等を固体撮像素子１に搭載してもよい。

図２は、本実施の形態による固体撮像素子１の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。

本実施の形態では、メカニカルシャッタ（図示せず）が所定の露光期間だけ開かれて各画素１１のフォトダイオードＰＤの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、１行ずつ順次選択され、各１行について順次同じ動作が行われていく。図２は、主として、ｎ行目の画素１１が選択され、引き続いてｎ＋１行目の画素１１が選択された場合の動作を示している。

期間Ｔ１は、ｎ−１行目の画素１１の出力の水平走査期間であり、後述する期間Ｔ３に対応している。期間Ｔ１後の期間Ｔ２は、ｎ行目の画素１１の出力の水平ブランキング期間である。

期間Ｔ２において、垂直走査回路１２によりｎ行目の画素１１が選択され、ｎ行目のリセットパルスφＲＥＳ（ｎ）がローレベルに変化し、ｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフする。また、期間Ｔ２において、ｎ行目の選択パルスφＳＥＬ（ｎ）がハイレベルに変化し、ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬがオンする。ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬのオンにより、ｎ行目の増幅トランジスタＡＭＰのソースは垂直信号線１４に接続される。そして、ｎ行目の増幅トランジスタＡＭＰは、定電流源１５によってソースフォロア回路として動作する。

期間Ｔ２が開始した後、期間Ｔ１２が開始するまでの期間においては、ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬがオンし、同時にｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフすることで、ｎ行目の画素１１の増幅トランジスタＡＭＰのゲート電圧が、フローティング状態となり、ｎ行目の画素１１のリセットレベルが垂直信号線１４に現われる。このとき、期間Ｔ２が開始した後の期間Ｔ１０では、制御信号φＣＡＲＳＴがハイレベルとなってクランプ制御スイッチＣＡＲＳＴがオンすることにより、信号処理部１８は、垂直信号線１４のリセットレベルを入力の基準とした状態で、演算増幅器ＯＰの出力端子のレベルを所定電位ＶＲＥＦにクランプする。そして、期間Ｔ２中の期間Ｔ１１において、差分用信号用サンプリングパルス（制御信号）φＴＶＮがハイレベルに変化し、差分用信号用サンプリングスイッチＴＶＮがオンする。これにより、ｎ行目の画素１１の差分用信号が、差分用信号用蓄積容量ＣＮに蓄積される。この動作は、ｎ行目の各列の画素に対して同時並列に実行される。

次に、期間Ｔ２中の期間Ｔ１２において、ｎ行目の転送パルスφＴＸ（ｎ）がハイレベルに変化し、ｎ行目の転送トランジスタＴＸがオンする。ｎ行目の転送トランジスタＴＸのオンにより、ｎ行目の画素１１のフォトダイオードＰＤで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティングディフュージョンＦＤに転送される。これによって、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される。その結果、ｎ行目の画素１１の光情報を含んだレベルが、垂直信号線１４に現れる。このとき、演算増幅器ＯＰの出力端子にはＶＲＥＦを基準として光信号による変化分が反転増幅された電圧として現れる。期間Ｔ１２の後の期間Ｔ１３において、光信号用サンプリングパルス（制御信号）φＴＶＳがハイレベルに変化し、光信号用サンプリングスイッチＴＶＳがオンする。これにより、ｎ行目の画素の光信号が、光信号用蓄積容量ＣＳに蓄積される。この動作は、ｎ行目の各列の画素に対して同時並列に実行される。

このようにして、期間Ｔ２において、ｎ行目の画素１１の出力信号のサンプリングが行われ、各列毎に、差分用信号用蓄積容量ＣＮにはｎ行目の画素１１の差分用信号が蓄積され、光信号用蓄積容量ＣＳにはｎ行目の画素１１の光信号が蓄積される。

期間Ｔ２後の期間Ｔ３は、ｎ行目の画素１１の出力の水平走査期間である。期間Ｔ３において、水平走査回路１３からの水平走査信号φＨによる水平走査によって差分用信号用水平転送スイッチＴＨＮ及び光信号用水平転送スイッチＴＨＳが各垂直信号線１４に対応するもの毎に順次オンされ、蓄積容量ＣＮ，ＣＳにそれぞれ蓄積されていた差分用信号及び光信号が各垂直信号線１４に対応するもの毎に順次差分用信号用水平信号線１６Ｎ及び光信号用水平信号線１６Ｓにそれぞれ読み出され、出力アンプＡＰＮ，ＡＰＳをそれぞれ介して外部信号処理部（図示せず）へ出力される。この外部信号処理部の差動アンプ等で出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮの出力間の差分を取ることにより、固定パターンノイズ等が除去された画像出力が得られる。

次に、期間Ｔ４，Ｔ５において、ｎ行目に関して期間Ｔ２，Ｔ３で行われたのと同様の動作が、ｎ＋１行目について行われ、それ以降においても同様の動作を繰り返す。

ここで、本実施の形態による固体撮像素子１と比較される比較例による固体撮像素子１０１について説明する。この比較例は、従来技術に相当している。図３は、この比較例による固体撮像素子１０１を示す概略ブロック図であり、図１に対応している。図３において、図１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

この比較例による固体撮像素子１０１が本実施の形態による固体撮像素子１と異なる所は、バッファＢ２，Ｂ３の下側の作動電位が異なっていることによって、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳのローレベルの電位（サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳをオフにする電位）が異なっている点のみである。なお、本実施の形態及びこの比較例のいずれにおいても、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳは、エンハンスメント型のｎＭＯＳトランジスタで構成されており、前記所定電位ＶＲＥＦは、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳのゲート電位の閾値電位Ｖｔｈよりも低い。また、本実施の形態では、演算増幅器ＯＰの出力端子の信号（垂直信号線１４の信号に応じて信号処理部１８により得られる信号であって、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオンオフすべき信号）は、前記所定電位ＶＲＥＦ及びそれ以上となるが、所定電位ＶＲＥＦよりも下がらず、この点は、図３に示す比較例の場合も同じである。

以下に、本実施の形態と図３に示す比較例との相違点について詳述する。

本実施の形態による固体撮像素子１では、前述したように、バッファＢ２，Ｂ３は前記所定電位ＶＲＥＦが下側電位として作動され、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳのローレベルの電位（サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳをオフにする電位）が前記所定電位ＶＲＥＦにされている。

これに対し、図３に示す比較例による固体撮像素子１０１では、バッファＢ２，Ｂ３はグランド電位ＡＧＮＤ（０Ｖ）が下側電位として作動され、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳのローレベルの電位（サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳをオフにする電位）がグランド電位ＡＧＮＤ（０Ｖ）にされている。これは、ｎＭＯＳトランジスタによるスイッチをオフする場合、入出力の電圧によらずに当該スイッチのゲート電位は０Ｖに設定されるのが通常であるということに、従ったものである。

なお、本実施の形態及び図３に示す比較例のいずれにおいても、バッファＢ２，Ｂ３は電源電位ＡＶＤＤが上側電位として作動され、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳのハイレベルの電位（サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳをオンにする電位）が電源電位ＡＶＤＤにされている。

本実施の形態及び図３に示す比較例では、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳはエンハンスメント型のｎＭＯＳトランジスタで構成されているので、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳのゲート電位を、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳの閾値電位Ｖｔｈよりも低く設定することにより、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳはオフ状態となる。

よって、本実施の形態の場合も比較例の場合も、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオンオフすべき信号（演算増幅器ＯＰの出力端子の信号）は、前記所定電位ＶＲＥＦ以上ＡＶＤＤ以下であること、及び、閾値電位Ｖｔｈは所定電位ＶＲＥＦよりも高いことから、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳのゲート電位が所定電位ＶＲＥＦ以下の場合には、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳはオフ状態となる。したがって、本実施の形態の場合は、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳのローレベルとして所定電位ＶＲＥＦがサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳのゲートに与えられると、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオフし、図３に示す比較例の場合は、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳのローレベルとしてグランド電位ＡＧＮＤ（０Ｖ）がサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳのゲートに与えられると、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオフするのである。

図３に示す比較例では、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオンからオフに状態変化する場合、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳのゲート電位は電源電位ＡＶＤＤからグランド電位ＡＧＮＤ（０Ｖ）に変化する。サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳは、そのゲート電位が閾値電位Ｖｔｈ以下あればオフ状態となるため、ＶＲＥＦから０Ｖ（ＡＧＮＤ）までの電圧変動は、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳのゲート−ソース間（またはゲート−ドレイン間）のオーバーラップ容量を通して、光信号用蓄積容量ＣＳ及び差分用信号用蓄積容量ＣＮに比較的大きいフィードスルー成分を発生する。

サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳの閾値電位Ｖｔｈ及びゲート−ソース間（またはゲート−ドレイン間）のオーバーラップ容量が各列毎に等しければ、前記フィードスルーの量も各列毎に等しくなるため、各列毎の信号に誤差を生じることはない。しかし、実際には、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳの閾値電位Ｖｔｈ及びゲート−ソース間（またはゲート−ドレイン間）のオーバーラップ容量は各列毎に等しくはないため、前記フィードスルーの量が各列毎に異なってしまい、各列毎の信号に誤差を生じてしまう。

列毎のフィードスルーの差を小さくするには、フィードスルーの量を小さくすることが有効である。そこで、本実施の形態では、サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳのローレベルの電位を、グランド電位ＡＧＮＤ（０Ｖ）ではなく、前記所定電位ＶＲＥＦとすることで、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオンからオフに状態変化する場合、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオフした後のサンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳのゲート電位の変化を少なくすることにより、フィードスルーの発生をできるだけ抑えて、フィードスルーの絶対量を低減している。本実施の形態では、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳがオンからオフに状態変化する場合に、図３に示す比較例で、所定電位ＶＲＥＦからグランド電位ＡＧＮＤ（０Ｖ）までの電圧変動により、サンプリングスイッチＴＶＮ，ＴＶＳのゲート−ソース間（またはゲート−ドレイン間）のオーバーラップ容量を通して蓄積容量ＣＳ，ＣＮに発生していたフィードスルー成分が、生じることがないので、フィードスルーの絶対量が図３に示す比較例に比べて小さくなるのである。

本実施の形態によれば、このように前記比較例に比べてフィードスルーの絶対量が低減されるので、フィードスルーの各列毎のばらつきにより発生する信号のノイズ（サンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳに起因するノイズ）が減少する。よって、本実施の形態によれば、得られる画像のノイズを図３に示す比較例に比べて低減することができる。

以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、前記実施の形態では、差分用信号用サンプリング制御信号φＴＶＮ及び光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳの両方のサンプリング制御信号のローレベルの電位を、所定電位ＶＲＥＦにしているが、本発明では、差分用信号用サンプリング制御信号φＴＶＮ及び光信号用サンプリング制御信号φＴＶＳのうちの一方のサンプリング制御信号のローレベルの電位を所定電位ＶＲＥＦにし、他方のサンプリング制御信号のローレベルの電位をグランド電位ＡＧＮＤ（０Ｖ）としてもよい。この場合、前記他方のサンプリング制御信号に起因するノイズは低減することができないものの、前記一方のサンプリング制御信号に起因するノイズは低減することができ、図３に示す比較例に比べれば、得られる画像のノイズを低減することができる。

また、前記実施の形態は、光信号用サンプリングスイッチＴＶＳ及び差分用信号用サンプリングスイッチＴＶＮにそれらがオンオフすべき信号として供給される信号が所定電位ＶＲＥＦ及びそれ以上となるが前記所定電位ＶＲＥＦよりも下がらない場合の例であった。本発明は、これに限定されるものではなく、光信号用サンプリングスイッチＴＶＳ及び差分用信号用サンプリングスイッチＴＶＮにそれらがオンオフすべき信号として供給される信号が所定電位ＶＲＥＦ’及びそれ以下となるが前記所定電位ＶＲＥＦ’よりも上がらないように構成した場合にも、例えば、光信号用サンプリングスイッチＴＶＳ及び差分用信号用サンプリングスイッチＴＶＮとしてエンハンスメント型のｐＭＯＳトランジスタを用い、サンプリング制御信号φＴＶＳ，φＴＶＮの、対応するサンプリングスイッチをオフにする電位を前記所定電位ＶＲＥＦ’にすることで、本発明を適用することができる。

本発明の一実施の形態による固体撮像素子を示す概略ブロック図である。 図１に示す固体撮像素子の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。 比較例による固体撮像素子を示す概略ブロック図である。

符号の説明

１ 固体撮像素子
１１ 画素
１４ 垂直信号線
１７ サンプルホールド部
１８ 信号処理部
ＣＳ 光信号用蓄積容量
ＣＮ 差分用信号用蓄積容量
ＴＶＳ 光信号用サンプリングスイッチ
ＴＶＮ 差分用信号用サンプリングスイッチ
φＴＶＳ 光信号用サンプリング制御信号
φＴＶＮ 差分用信号用サンプリング制御信号

Claims (5)

1. ２次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、
   前記複数の画素の各列に対応して設けられ前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、
   前記各垂直信号線の信号に応じた信号をサンプリング制御信号に従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号に従って水平信号線へ供給するサンプルホールド部と、
   を備え、
   前記サンプルホールド部は、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記画素で光電変換された光情報を含む光信号が蓄積される光信号用蓄積容量と、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号が蓄積される差分用信号用蓄積容量と、前記光信号の前記光信号用蓄積容量への入力を光信号用サンプリング制御信号に応じてオンオフする光信号用サンプリングスイッチと、前記差分用信号の前記差分用信号用蓄積容量への入力を差分用信号用サンプリング制御信号に応じてオンオフする差分用信号用サンプリングスイッチと、を含み、
   前記光信号用サンプリングスイッチ及び前記差分用信号用サンプリングスイッチにそれらがオンオフすべき信号として供給される信号は、所定電位及びそれ以上となるが前記所定電位よりも下がらず、
   前記光信号用サンプリング制御信号及び前記差分用信号用サンプリング制御信号のうちの少なくとも一方の制御信号の、対応するサンプリングスイッチをオフにする電位は、前記所定電位である、
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記各垂直信号線の信号を処理して前記各垂直信号線の信号に応じた前記信号を得る信号処理部を備え、
   前記信号処理部は、前記各垂直信号線にそれぞれ対応して設けられた演算増幅器、入力容量、帰還容量、及び、クランプ制御信号に応じてオンオフするクランプ制御スイッチを有し、
   前記各演算増幅器の非反転入力端子に前記所定電位が印加され、
   前記各垂直信号線に対応するもの毎に、（i）当該垂直信号線が前記入力容量を介して前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、（ii）前記演算増幅器の前記反転入力端子と前記演算増幅器の出力端子との間に前記帰還容量及び前記クランプ制御スイッチが並列に接続され、（iii）前記演算増幅器の出力端子が前記光信号用サンプリングスイッチの一端及び前記差分信号用サンプリングスイッチの一端に接続された、
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. ２次元に配置され入射光を光電変換する複数の画素と、
   前記複数の画素の各列に対応して設けられ前記画素の出力信号が供給される垂直信号線と、
   前記各垂直信号線の信号に応じた信号をサンプリング制御信号に従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号に従って水平信号線へ供給するサンプルホールド部と、
   を備え、
   前記サンプルホールド部は、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記画素で光電変換された光情報を含む光信号が蓄積される光信号用蓄積容量と、前記各垂直信号線に対応して設けられ前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号が蓄積される差分用信号用蓄積容量と、前記光信号の前記光信号用蓄積容量への入力を光信号用サンプリング制御信号に応じてオンオフする光信号用サンプリングスイッチと、前記差分用信号の前記差分用信号用蓄積容量への入力を差分用信号用サンプリング制御信号に応じてオンオフする差分用信号用サンプリングスイッチと、を含み、
   前記光信号用サンプリングスイッチ及び前記差分用信号用サンプリングスイッチにそれらがオンオフすべき信号として供給される信号は、所定電位及びそれ以下となるが前記所定電位よりも上がらず、
   前記光信号用サンプリング制御信号及び前記差分用信号用サンプリング制御信号のうちの少なくとも一方の制御信号の、対応するサンプリングスイッチをオフにする電位は、前記所定電位である、
   ことを特徴とする固体撮像素子。
4. 前記光信号用サンプリング制御信号を前記光信号用サンプリングスイッチに供給するバッファと、前記差分用信号用サンプリング制御信号を前記差分用信号用サンプリングスイッチに供給するバッファと、を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 前記各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部、及び、当該画素を選択する選択部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子。

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