JP3501743B2 - 固体撮像装置および撮像システム - Google Patents
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Description
像システムに係わり、詳しくは画素毎に信号増幅手段を
有する固体撮像装置及び撮像システムに関する。
ダイオードおよびCCDシフトレジスタからなるCCD
イメージセンサと、ホトダイオードおよびMOSトラン
ジスタからなるAPS(Active Pixel Sensor)と呼ば
れるものがある。
OSスイッチ、ホトダイオードからの信号を増幅するた
めの増幅回路などを含み、「XYアドレッシング」や
「センサと信号処理回路の1チップ化」などが可能とい
った多くのメリットを有している。
の微細化技術の向上と「センサと信号処理回路の1チッ
プ化」や「低消費電力化」などの要求の高まりから、注
目を集めている。
構成する固体撮像装置の回路図である。
オード3、転送スイッチQ1、リセットスイッチQ2、増
幅手段Q3、選択スイッチQ4を有する。
ては、単位セルを選択するための電極17及び選択制御
線(選択スイッチ線)7、光電変換部となるホトダイオ
ード3から増幅手段の入力端子へ電荷を転送するための
電極16及び転送制御線(転送スイッチ線)64、増幅
手段の入力端子をリセットするための電極15及びリセ
ット制御線(リセットスイッチ線)5、信号を出力する
ための電極18及び信号出力線8、がある。4は、増幅
手段やリセットスイッチに基準電圧を与えるための電源
線である。
5、6、7が行方向に配置され、列方向に信号出力線8
が配されている。一般的には、これらの配線が開口率を
下げないように、製造プロセス上可能な最小の配線間隔
および最小線幅で配置される。
3mm(2/3インチ)、画素数200万画素のセンサ
においては、1行あたりの配線長は10mmにもなる。
そして行数は約1000行であることから、制御線の総
延長は10mにもなる。
はCCDイメージセンサに比べ1画素内(1単位セル
内)の素子数が多いこと、近年のセンサの大判化などか
ら、チップサイズが大きくなっていること等から、配線
に関係する製造歩留低下が生じ易い。
固体撮像装置より配線数を低減することが可能な固体撮
像装置及び固体撮像システムを提供することにある。
で発生した信号を増幅する増幅手段と、該増幅手段に前
記信号を転送する転送手段と、前記増幅手段の入力端子
をリセットするリセット手段と、前記増幅手段を選択し
て信号を信号出力線に出力する選択手段と、を有する単
位セルを少なくとも一つ具備する固体撮像装置におい
て、単位セル内、或いは隣接する二つの単位セル間で、
前記信号出力線と、前記選択手段を制御する選択制御
線、前記転送手段を制御する転送制御線、前記リセット
手段を制御するリセット制御線のうちの一つの制御線と
が一つの共通線にて構成されていることを特徴とする。
して、固体撮像装置の動作について詳細に説明する。
した固体撮像装置における読み出し回路の回路図、図3
0は、この固体撮像装置に用いられる駆動パルスの駆動
タイミング図である。
ッチ22によりノイズ信号を保持することができる保持
容量23と、スイッチ24により光信号を含む信号(こ
れは純粋な光信号に加えてノイズ信号をも含んでいるの
で、以下「ノイズ信号を含む光信号」と呼ぶことにす
る)を保持することができる保持容量25とを有する信
号保持手段が設けられている。これらの2種の信号は、
水平走査回路26により、水平の共通出力線27、28
に別々に読み出される。そして、差動アンプ29を用い
て、光信号からノイズ信号を減算することにより、ノイ
ズ成分が除去された光信号を得ることができる。
し方式)の詳細な説明を行う。以下の説明では、単位セ
ルで発生するもっとも大きなノイズである、信号増幅部
のオフセット(OFFSET)ノイズおよびリセットを
する際に発生する熱ノイズを除去する場合について説明
する。
ツキに起因するオフセットノイズは数十から数百mV程
度であり、熱ノイズ(√kTCノイズ)は、1mV程度
である。
うに、少なくとも期間A2から期間D2で行われる動作を
行う。φ15はリセットスイッチ線5を介して、それに接
続された電極15に印加される制御パルスを、φ17は選
択スイッチ線7を介して、それに接続された電極17に
印加される制御パルスを、φ16はリセットスイッチ線6
を介して、それに接続された電極16に印加される制御
パルスを、φ22はスイッチ22の制御パルスを、φ24は
スイッチ24の制御パルスを、それぞれ示している。
チ線5をハイレベルとしてリセットスイッチQ2をオン
して、ソースフォロアを構成する増幅手段である増幅ト
ランジスタQ3の入力端子のリセットを行う。
ンそしてオフし、リセットのノイズ信号を、ノイズ信号
用の保持容量23に保持する。図28のように単位セル
の出力部としてソースフォロワを用いた場合は、トラン
ジスタQ3の閾値バラツキに起因するオフセットノイズ
と、トランジスタQ3の入力部をリセットスイッチQ2に
よりリセットした際に発生する熱ノイズ(√kTCノイ
ズ)とが保持容量23に保持される。
オンそしてオフし、ホトダイオード3から増幅トランジ
スタQ3の入力部に光により発生したホトダイオード内
の電荷を転送し、前述のノイズ信号に、光により発生し
たホトダイオード内の電荷を加える。
してオフして、前記期間C2により生成したノイズ信号
を含む光信号の出力を光信号用の保持容量25に保持す
る。
びノイズ信号を含む光信号を水平走査回路26により、
水平の共通出力線27、27に読み出し、差動アンプ7
06を用いノイズ信号成分を除去する。こうして、出力
端子30からノイズ信号成分が除去された光信号を取り
出すことができる。
れる別の駆動タイミング図であり、この動作(読み出し
方式)では、予めリセット(期間A3)したのちに、転
送動作(期間C3)を行い、ノイズ信号を含む光信号を
保持容量25に保持(期間B3)した後、ソースフォロ
ワの入力端子をリセットし(期間A3)、そのノイズ信
号を保持容量23に保持し(期間D3)、両者の差分を
とる。
をリセットした際に発生する熱ノイズの除去はできない
ものの、数十から数百mVと大きな増幅トランジスタQ
3の閾値バラツキに起因するオフセットノイズは除去す
ることができる。
式に限定されるものではない。
制御線がどのような状態になければならないかを分析し
た。その結果を図32に示す。
わないことを示している。また「OFF*」は、ソース
フォロワの入力端子の電圧が比較的高いことから、0vo
ltである必要はないことを意味している。
ので、例を挙げて説明する。
間中にある。従って、転送スイッチ線はオフであるべき
である。しかしながら、固体撮像システムが多様化し、
ローリングシャッター方式やプログレッシブスキャン方
式など様々な駆動方法にシステムが対応しつつある。さ
らに、汎用となっている33万画素クラスのイメージセ
ンサにおいても、その行数が500行あり、多画素化に
よりその行数がより増える方向にある。
チがオンしても、蓄積時間としては1行分短くなるもの
の、その時間は全体の1/500となり感度が99.8
%に減少するにとどまる。即ち、n−1行の単位セルの
転送スイッチは、n行の単位セルの転送スイッチ線以外
の制御線と共有化が可能である。
果、各期間での各制御線の状態が両立する制御線が明ら
かとなる。すなわち、以下の配線を単位セル内、又は時
系列的に、或いは隣接する2つの単位セル間で配線の共
有化が可能である。 (1) リセットスイッチ線と信号出力線の共有化 (2) n行選択スイッチ線とn−1行リセットスイッチ
線 (3) n行選択スイッチ線とn−1行転送スイッチ線 (4) n行リセットスイッチ線とn−1行転送スイッチ
線 また、デジタルカメラにおいては、機械式シャッターな
ども利用され、蓄積時間は転送スイッチの開閉ではな
く、機械式シャッターの開閉により規定される。
出し方法と兼用すれば、 (3’) 上記n行選択スイッチ線とn+1行転送スイッ
チ線、 (4’) n行リセットスイッチ線とn+1行転送スイッ
チ線の共有化もできる。更には、 (5) 信号出力線と転送スイッチ線の共有化も可能とな
る。
共通線が、前述した複数の制御線の働きを担うので、固
体撮像装置の配線数を減らすことができ、また設計マー
ジンも緩くすることができ、大幅に配線に関する製造歩
留まりを改善することができる。
る。 (実施形態1)図1は本実施形態による固体撮像装置の
1単位セルに関する基本的な回路図であり、図2はその
基本的な動作を説明するための駆動タイミング図であ
る。
号出力線とリセットスイッチ線を共有にしている。
も、光電変換部としてのホトダイオード3、転送手段と
しての転送スイッチQ1、リセット手段としてのリセッ
トスイッチQ2、増幅手段Q3、選択手段としてのスイッ
チQ4を有する。
ては、単位セルを選択するための電極17及び選択制御
線(選択スイッチ線)7と、光電変換部となるホトダイ
オード3から増幅手段の入力端子へ電荷を転送するため
の電極16及び転送制御線(転送スイッチ線)6と、を
有している。
るための電極15と信号を出力するための電極18と
は、共通線58に共に接続されており、この共通線58
がリセット制御線(リセットスイッチ線)及び信号出力
線として働く。
り、不図示の電源線に接続され、基準電圧の供給を受け
る。リセットスイッチQ2に供給されるリセット用基準
電圧と、増幅手段Q3に供給される増幅用の基準電圧と
を互いに異ならしめることもできる。
ンするための制御パルスを与えるスイッチであり、リセ
ットスイッチのゲートに、それをオンさせるに十分な閾
値以上の電圧(オン電圧)を基準電圧源VDDから与え
る。21は負荷としての定電流源でありミラー回路など
からなるが、抵抗やトランジスタなどからなる負荷であ
ってもよい。
りである。
成する増幅用トランジスタQ3の入力端子をリセットす
るために、制御パルスφVRによりスイッチQ5をオン
し、信号出力線58にハイレベルの電圧を印加する。こ
の時、リセットスイッチQ2のゲート電極15は信号出
力線58に接続されているので、ソースフォロワの入力
端子はオン状態となったリセットスイッチQ2を介しリ
セット電圧にリセットされる。信号出力線58に接続さ
れる全画素が一括でリセットされるが、転送スイッチQ
1がオフしているため障害はない。
読み出すために、制御パルスφVRによりスイッチQ5を
オフにする。さらに、制御パルスφ17により選択スイッ
チ線7にハイレベルの電圧を印加し、選択スイッチQ4
をオンする。この結果、信号出力線58は、ソースフォ
ロワの定電流負荷21により、低い電圧に引き下げられ
る。このとき、ソースフォロワが動作し、信号出力線5
8に現れる電圧は、リセット電圧から閾値電圧分程低下
した電圧になる。制御パルスφ22によりスイッチ22を
オンしてからオフして、この出力電圧を図29に示した
ようなノイズ信号用の保持容量に書き込む(期間B
1)。この時、リセットスイッチQ2のゲート電圧は、リ
セットスイッチQ2のソース電圧より閾値電圧分低くな
り、リセットスイッチQ2はオフになる。
スイッチQ1を開閉し、ソースフォロワの入力端子にホ
トダイオード3内の電荷を転送した。このとき信号出力
線58の電圧は、電荷量に応じて下がる。この時点で
も、リセットスイッチQ2はオフ状態にある。
チ24をオンしてからオフして、光信号を含んだ出力を
光信号用の保持容量に書き込む。
トするために、制御パルスφVRによりスイッチQ5をO
Nして、出力信号線58の電圧をリセットスイッチQ2
がオンする電圧にまで高める。
に書き込まれた信号を水平出力線に読み出し、差動アン
プを用い、両者の差分をとる。こうすれば、従来と同等
の低ノイズの信号を得ることができる。
列に配列した固体撮像装置の回路図である。ここで10
0は水平走査回路などを含む周辺回路、101は垂直走
査回路などを含む周辺回路である。図4は、図3の符号
100で示した周辺回路の回路図である。図5は、2行
分の単位セルの駆動タイミング図である。
りスイッチQ5をオンし、信号出力線58にハイレベル
の電圧を印加する。こうして、全ての単位セルのソース
フォロワの入力端子はリセットスイッチQ2を介しリセ
ット電圧にリセットされる。
をオフにする。さらに、制御パルスφS1により先の行の
選択スイッチ線7にハイレベルの電圧を印加し、先の行
の選択スイッチQ4をオンする。制御パルスφ22により
全列のスイッチS2をオン・オフして、この出力電圧を
ノイズ信号用の保持容量23に書き込む(期間B1)。
この時、リセットスイッチQ2のゲート電圧はリセット
スイッチQ2のソース電圧より閾値電圧分低くなり、リ
セットスイッチQ2はオフすることになる。
に供給される制御パルスφTX1により、先の行の転送ス
イッチQ1を開閉し、ソースフォロワの入力端子にホト
ダイオード3内の電荷を転送する。このとき信号出力線
58の電圧は電荷量に応じて下がるが、リセットスイッ
チQ2はオフ状態にある。
チS1をオン・オフして、ノイズ信号成分を含む光信号
出力を光信号用の保持容量25に書き込む。
VRによりスイッチQ5をオンして、リセットスイッチQ2
をオンさせる。
次の行の各単位セルから2種の信号を読み出す動作を行
う。
選択期間と次の行の選択期間との間に、各保持容量2
3、25に書き込まれた先の行の各単位セルからの信号
は、水平走査回路26により、水平出力線27、28に
読み出し、差動アンプ29を用い、両者の差分をとって
出力される。こうすれば、従来と同等の低ノイズの信号
を得ることができる。
り、従来では配線に関する歩留まりが約50%であった
ものが、約70%に上昇することが見込まれる。 (実施形態2)図6は本実施形態の固体撮像装置におけ
る2つの単位セルの回路図、図7はその駆動タイミング
図、図8は単位セルを行列状に配した固体撮像装置の2
行2列分の回路図である。
とn−1行目の選択スイッチ線を共通にしたものであ
る。図6において、57は隣接する2行の単位セル間で
共通化された配線(共通線)を示す。Q1(n)、Q2(n)、
Q3(n)、Q4(n)は、それぞれn行の単位セルの転送スイ
ッチ、リセットスイッチ、増幅トランジスタ、選択スイ
ッチを示し、Q1(n-1)、Q2(n-1)、Q3(n-1)、Q4(n-1)
は、それぞれn−1行の単位セルの転送スイッチ、リセ
ットスイッチ、増幅トランジスタ、選択スイッチを示し
ている。
後、n−1行目の選択スイッチ線57に制御パルスφS1
を供給し、選択スイッチQ4(n-1)をオンする。制御パル
スφ22を信号出力線のスイッチ22に供給して、ノイズ
信号を容量23に蓄積する。制御パルスφTX1をn−1
行目の転送スイッチ線6に入力して、転送スイッチQ1
(n-1)をオンし、光信号を転送する。制御パルスφ24を
スイッチ24に供給して、光信号とノイズ信号を含む信
号を容量25に読み出す。こうして、n−1行目の単位
セルから読み出しを行う。
ルのソースフォロワの入力端子をリセットする制御パル
スφS1が供給されるので、これにより、スイッチQ2(n)
はオンし、ソースフォロワの入力端子がリセットスイッ
チQ2(n)を介してリセット電圧にリセットされる。
チがオンになるので、蓄積期間中リセットスイッチをオ
ンにし続けた場合は、ソースフォロワの電流源が活性と
なる。画素数が多い場合は定電流値×列数の電流が常に
流れることになるので、電流源と信号出力線8との間に
不図示のスイッチを介在させるとよい。
ために、n行目の画素のリセットスイッチQ2(n)をオフ
にした。
スイッチ線57がハイレベルとなり選択スイッチQ4(n)
が開く。そうするとソースフォロワが動作し、信号出力
線8は、リセット電圧から約閾値電圧分低い電圧にな
る。スイッチ22を開閉して、この出力電圧をノイズ用
の保持容量23に書き込む。この時、n+1行目のリセ
ットスイッチQ2(n+1)がONするが、n+1行目の選択
スイッチQ4(n+1)をオフにしておけば、出力値に何ら悪
影響を与えない。
単位セルの転送スイッチQ1(n)を開閉し、ソースフォロ
ワの入力端子にホトダイオード内の電荷を転送した。
光信号を光信号用の保持容量25に書き込む。
は図4や図29と同じであるので、ここでは説明を省略
する。
るのに対して、本実施の形態によれば、約72%に上昇
すると見込まれる。 (実施形態3)図9は本実施形態の固体撮像装置におけ
る2つの単位セルの回路図、図10はその駆動タイミン
グ図、図11は単位セルを行列状に配した固体撮像装置
の2行2列分の回路図である。
線とn−1行目の転送スイッチ線を共通にしたものであ
る。図9、図11において、56は隣接する2つの行の
間で共通化された配線(共通線)を示す。
ぞれn行の単位セルの転送スイッチ、リセットスイッ
チ、増幅トランジスタ、選択スイッチを示し、Q1(n-
1)、Q2(n-1)、Q3(n-1)、Q4(n-1)は、それぞれ(n−
1)行の単位セルの転送スイッチ、リセットスイッチ、
増幅トランジスタ、選択スイッチを示している。
後、n−1行目の選択スイッチ線7に制御パルスφS1を
供給し、選択スイッチQ4(n-1)をオンする。制御パルス
φ22を信号出力線のスイッチ22に供給して、ノイズ信
号を容量23に蓄積する。制御パルスφTX1をn−1行
目の制御共通線56に入力して、転送スイッチQ1(n-1)
をオンし、光信号を転送する。制御パルスφ24をスイッ
チ24に供給して、ノイズ信号を含む光信号を容量25
に読み出す。こうして、n−1行目の単位セルから読み
出しを行う。
ルのソースフォロワの入力端子をリセットする制御パル
スφTX1が供給されるので、これにより、スイッチQ2
(n)はオンし、ソースフォロワの入力端子がリセットス
イッチQ2(n)を介してリセット電圧にリセットされる。
ために、n行目の画素のリセットスイッチQ2(n)をオン
・オフする。
スイッチ線7がハイレベルとなり選択スイッチQ4(n)が
開く。そうするとソースフォロワが動作し、信号出力線
8は、リセット電圧から約閾値電圧分低い電圧になる。
スイッチ22をオン・オフして、この出力電圧をノイズ
用の保持容量23に書き込む。
単位セルの転送スイッチQ1(n)をオン・オフし、ソース
フォロワの入力端子にホトダイオード内の電荷を転送す
る。
光信号出力を光信号用の保持容量25に書き込む。
施形態2と同じであり、前述したとおりである。
ロワの入力端子をリセットするために、リセットスイッ
チQ2(n)をオンし、ソースフォロワの入力端子はリセッ
トスイッチQ2(n)を介しリセット電圧にリセットされ
る。この時、n−1行目の画素の転送スイッチQ1(n-1)
も同時にオンする。n−1行目は既に読み出された行で
あり、1行の読み出し時間分の光により発生した電荷を
捨てることになる。本実施形態を、例えば、デジタルカ
メラ用の対角12.7mm(1/2インチ)、画素数1
60万画素のエリアイメージセンサに採用すると、その
行数は約1000行であり、動画出力をした場合は、感
度が0.1%劣化するにとどまる。
合には、一旦読み出してしまえばその後の動作には何ら
影響はない。
しているため、リセットスイッチはオフ状態にしておく
必要があり、実際には、読み出す直前の期間A3にリセ
ットスイッチをオンしなければならない。
%であるのに対して、本実施形態によれば約71%に上
昇することが見込まれる。 (実施形態4)図12は本実施形態の固体撮像装置にお
ける2つの単位セルの回路図、図13はその駆動タイミ
ング図、図14は単位セルを行列状に配した固体撮像装
置の2行2列分の回路図である。図12と図14では時
系列的に選択される単位セルの配列順が上下逆になって
いるが、動作に差異はない。
n−1行目の転送スイッチ線を共通にしたものである。
図12において、67はn行目の単位セルとn−1行目
の単位セルとの間で共通化された配線(共通線)を示
す。Q1(n)、Q2(n)、Q3(n)、Q4(n)は、それぞれn行
目の転送スイッチ、リセットスイッチ、増幅トランジス
タ、選択スイッチを示し、Q1(n-1)、Q2(n-1)、Q3(n-
1)、Q4(n-1)は、それぞれ(n−1)行目の転送スイッ
チ、リセットスイッチ、増幅トランジスタ、選択スイッ
チを示している。5はリセット制御線を示している。
セルがリセットされた後、n−1行目の選択スイッチ線
67に制御パルスφS1を供給し、選択スイッチQ4(n-1)
をオンする。制御パルスφ22を信号出力線のスイッチ2
2に供給して、n−1行目のノイズ信号を容量23に蓄
積する。制御パルスφS2をn行目の制御共通線67に入
力して、転送スイッチQ1(n-1)をオンし、光信号を転送
する。制御パルスφ24をスイッチ24に供給して、n−
1行目の光信号とノイズ信号を含む信号を容量25に読
み出す。こうして、n−1行目の単位セルから読み出し
を行う。
ルの選択スイッチにも制御パルスφS2が供給されるの
で、これにより、スイッチQ4(n)はオンするが、この状
態での出力を保持するわけではないので、動作上問題は
ない。
ために、制御パルスφR2によりn行目の画素のリセット
スイッチQ2(n)をオンしてからオフにした。
n行目の制御線67がハイレベルとなり選択スイッチQ
4(n)がオンする。そうするとソースフォロワが動作し、
信号出力線8は、リセット電圧から約閾値電圧分低い電
圧になる。再びスイッチ22を開閉して、n行目の単位
セルの出力電圧をノイズ用の保持容量23に書き込む。
位セルの転送スイッチQ1(n)をオン・オフし、ソース
フォロワの入力端子にホトダイオード内の電荷を転送す
る。
を含んだ出力(ノイズ信号も含む)を光信号用の保持容
量25に書き込む。
と、n−1行目の転送スイッチQ1(n-1)も同時にオンす
る。n−1行目は既に読み出された行であり、1行の読
み出し時間分の光により発生した電荷を捨てることにな
るが、前述したとおり問題はない。
施形態2と同じであり、前述したとおりである。
であるのに対して、本実施形態によれば約71%に上昇
するものと見込まれる。 (実施形態5)図15は本実施形態の固体撮像装置にお
ける2つの単位セルの回路図、図16はある一行の単位
セルの駆動タイミング図、図17は単位セルを行列状に
配した固体撮像装置の2行2列分の回路図である。
出力線と転送スイッチ線を共有にしたものである。符号
68で示す共通線が、転送スイッチ線及び信号出力線と
して機能するものであり、全画素一括転送になる。従っ
て、本実施形態は、蓄積期間を機械的シャッターにより
規定し、全画素を一括で電荷を転送するシステムに好適
に用いられる。
光信号出力を読み出した後、入力端子をリセットしリセ
ット信号を読み出し、両者を減算する方式である。
去はできないものの、数十から数百mVと大きな増幅ト
ランジスタQ3の閾値バラツキに起因するオフセットノ
イズは除去することができる。
入力端子をリセットするために、制御パルスφRを供給
してリセットスイッチQ2のスイッチをオンする。この
時ソースフォロワの入力端子はリセットスイッチQ2を
介しリセット電圧にリセットされる。
C4において、ホトダイオードからソースフォロワの入
力端子に全単位セル一括で転送するため、トランジスタ
Q5をオンし、転送スイッチQ1をオンするために信号出
力線104の電位をハイレベルにする。
た後に、期間B4で、光信号を含んだ出力を光信号用の
保持容量25に書き込む。
み出すために、期間B4の後の期間A4で、選択行のみリ
セットスイッチQ2をオン、オフし、リセット動作を行
う。次に、期間D4で、このリセット動作後の出力電圧
をノイズ用の保持容量23に書き込む。
容量に書き込まれた信号を水平出力線に読み出し、差動
アンプを用い、両者の差分を出力する。こうすれば、リ
セット時の熱的ノイズの除去はできないものの、数十か
ら数百mVと大きなトランジスタQ3の閾値バラツキに
起因するオフセットノイズが除去された良好な信号が得
られる。
50%であるのに対して、本実施形態によれば約70%
に上昇することが見込まれる。 (実施形態6)図18は本実施形態の2つの単位セルの
回路図、図19はある2行の単位セルの駆動タイミング
図、図20は単位セルを行列状に配した固体撮像装置の
2行2列分の回路図である。
n−1行目の転送スイッチ線を共通にし、かつ信号出力
線とリセットスイッチ線を共通にした構成である。第1
の共通線58が、信号出力線とリセットスイッチ線の両
方の働きをし、第2の共通線67が、n行目の選択制御
とn−1行目の転送制御をつかさどる。
実施形態1および実施形態4で説明した通り各動作は両
立する。
よりスイッチQ5をオンし、信号出力線58にハイレベ
ルの電圧を印加する。この時、全てのソースフォロワの
入力端子はリセットスイッチQ2を介しリセット電圧に
リセットされる。
をオフにする。さらに、制御パルスφS1によりn−1行
目の選択スイッチ線67にハイレベルの電圧を印加し、
選択スイッチQ4(n-1)をオンする。この結果、信号出力
線58は、ソースフォロワの定電流負荷21により、低
い電圧に引き下げられる。このとき、ソースフォロワが
動作し、信号出力線58に現れる電圧は、リセット電圧
から閾値電圧分程低下した電圧になる。制御パルスφ22
によりスイッチS2を開閉して、この出力電圧を図29
に示したようなノイズ信号用の保持容量23に書き込む
(期間B1)。この時、リセットスイッチQ2のゲート電
圧は、リセットスイッチQ2のソース電圧より閾値電圧
分低くなり、リセットスイッチQ2はオフすることにな
る。
スイッチQ1(n-1)を開閉し、ソースフォロワの入力端子
にホトダイオード3内の電荷を転送する。このとき信号
出力線58の電圧は、電荷量に応じて下がる。この時点
でも、リセットスイッチQ2はオフ状態にある。
チ24を開閉して、光信号を含んだ出力を光信号用の保
持容量25に書き込む。
トするために、制御パルスφVRによりスイッチQ5をオ
ンして、出力信号線58の電圧をリセットスイッチQ2
がオンする電圧にまで高める。
に書き込まれた信号を水平出力線に読み出し、差動アン
プを用い、両者の差分をとる。こうすれば、従来と同等
の低ノイズの信号を得ることができる。
50%であるのに対して、本実施形態によれば約82%
に上昇することが見込まれる。
組み合わせることにより、さらなる配線数を低減を実現
し、配線歩留まりを向上させること、また配線の占める
面積が低減することから開口率の向上を図ることができ
る。 (実施形態7)図21に示す本実施形態は、実施形態1
において、2つの光電変換部と転送スイッチに対し、一
つの信号増幅用のソースフォロワとリセットスイッチか
らなる出力部2を配置したものである。図22はその駆
動タイミング図である。図23は、図21に示した単位
セルを2行2列に配した固体撮像装置の回路図である。
この実施形態では、単位セル一つに光電変換部が二つあ
るので、単位セル一つが2画素に相当する。よって、図
22では画素数ベースにすると4行4列である。
りである。
トランジスタの入力部をリセットした後、制御パルスφ
Sにより選択スイッチQ4をオンする。
した後、制御パルスφTX1により転送MOSスイッチQ1
aをオンして、ホトダイオード3Aの電荷を転送MOS
スイッチQ1aを介して転送し、制御パルスφ24により光
信号を読み出す。
った後、制御パルスφTX2をオンして転送MOSスイッ
チQ1bをオンして、ホトダイオード3Bの電荷を転送M
OSスイッチQ1bを介して転送し、制御パルスφ24によ
り光信号を読み出す。
および選択スイッチと選択スイッチ線が半分になるた
め、さらなる歩留まり改善が見込まれる。 (実施形態8)図24に示す本実施形態は、実施形態7
において、4つの光電変換部と転送スイッチに対し、ひ
とつの信号増幅用のソースフォロワとリセットスイッチ
からなる出力部を配置したものである。つまり一単位セ
ルが4画素に相当する。
りである。
Q2、Q3、Q4を用いn行目の光電変換部の信号を読み
出した後、転送スイッチQ1b、Q2、Q3、Q4を用い
(n+1)行目の光電変換部の信号を読み出す。このよ
うな動作を合計4回繰り返す。
リセットスイッチおよび選択スイッチと選択スイッチ線
が1/4になるため、より一層製造歩留まり改善が見込
まれる。 (実施形態9)図25に示す本実施形態は、実施形態7
におけるリセット用の電極を、隣接行の選択スイッチ線
に接続した構成である。その駆動タイミングを図26に
示す。図26の駆動タイミングは、下行から上行に選択
を行うためのものである。
りである。
がリセットされる。制御パルスφS2により出力部2の選
択スイッチをONし、制御パルスφ22によりノイズ信号
を読み出す。
オード1Bの電荷を転送し、制御パルスφ24により光信
号を読み出す。
位セルがリセットされ、制御パルスφS2により出力部2
の選択スイッチをONし、制御パルスφ22によりノイズ
信号を読み出す。そして、制御パルスφTX2によりホト
ダイオード1Aの電荷を転送し、制御パルスφ24により
光信号を読み出す。
トを行い、前述したような動作を続ける。
リセット手段としては、nチャンネル又はpチャンネル
のMOSトランジスタが挙げられる。
ード以外に、MOS構造のホトゲートを用いることもで
きるが、より好ましくは、埋め込みホトダイオードを採
用すると良い。
OS構造の転送ゲートや、MOSトランジスタが挙げら
れる。
こともでき、このときには制御パルスのハイレベル又は
ローレベルなどは、その動作に応じて、上述した実施形
態と逆になることはいうまでもない。
中に、ホトダイオードのカソードと、各トランジスタの
n型ソース・ドレインを作り込んだ構造を、単位セルと
して用いるとよい。
す模式的断面図であり、ホトダイオードと転送手段とリ
セット手段が図示されている。
しての酸化膜、83はホトダイオードのカソード、8
4、85はリセット手段としてのNチャンネルMOSト
ランジスタのドレイン・ソース、84は増幅手段の入力
端子に、85はリセット用電源線に接続される。
してのNチャンネルMOSトランジスタも、同様にP型
ウエル81内に作り込まれる。このように、単位セル1
を構成する各素子は電子を伝送キャリアとする同一導電
型の素子からなる。88はP型層である。図33中の導
電型を逆にして、ホールを伝送キャリアとする素子で構
成することも可能である。
御線、信号出力線などは、半導体基体の絶縁層上に形成
された導電性材料で形成され、好ましくは、Al,Al
Si,AlCu,AlSiCu,Cu等の金属で形成さ
れる。
概略図を示す。
射した画像光は上述した各実施形態の構成を有する固体
撮像装置からなるイメージセンサ72上に結像する。必
要に応じて光学系71に機械式シャッターを付設するこ
とも好ましいものである。イメージセンサ72によって
光情報は電気信号へと変換される。その電気信号は信号
処理回路73によってホワイトバランス補正、ガンマ補
正、輝度信号形成、色信号形成、輪郭補正処理等予め決
められた方法によって信号変換処理され、出力される。
信号処理された信号は、記録系、通信系74により情報
記録装置により記録、あるいは情報転送される。記録、
あるいは転送された信号は再生系77により再生がなさ
れる。イメージセンサ72、信号処理回路73は、タイ
ミング制御回路75により制御され、光学系71、タイ
ミング制御回路75、記録系・通信系74、再生系77
はシステムコントロール回路76により制御される。タ
イミング制御回路75により独立読出しか、加算・間引
き読出しかを選択することができる。
画素から光信号を読み出すための、リセット制御線、選
択制御線、転送制御線のうちの一つの制御線と信号出力
線とを共通にすることにより、 (1) 配線数を低減し、配線に関する歩留まりが向上す
る。 (2) 配線の占める領域が低減し、開口率が向上する。 などの効果を得ることができる。
成を示す回路図である。
ミング図である。
である。
グ図である。
本構成を示す回路図である。
ミング図である。
路図である。
の基本構成を示す回路図である。
イミング図である。
置の回路図である。
基本構成を示す回路図である。
タイミング図である。
回路図である。
置の基本構成を示す回路図である。
タイミング図である。
置の回路図である。
基本構成を示す回路図である。
タイミング図である。
回路図である。
置の基本構成を示す回路図である。
タイミング図である。
置の回路図である。
置の基本構成を示す回路図である。
基本構成を示す回路図である。
タイミング図である。
ブロック図である。
る。
図である。
す図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 光電変換部と、該光電変換部で発生した
信号を増幅する増幅手段と、該増幅手段に前記信号を転
送する転送手段と、前記増幅手段の入力端子をリセット
するリセット手段と、前記増幅手段を選択して信号を信
号出力線に出力する選択手段と、を有する単位セルを少
なくとも一つ具備する固体撮像装置において、 単位セル内、或いは隣接する二つの単位セル間で、前記
信号出力線と、前記選択手段を制御する選択制御線、前
記転送手段を制御する転送制御線、前記リセット手段を
制御するリセット制御線のうちの一つの制御線とが一つ
の共通線にて構成されていることを特徴とする固体撮像
装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記リセット制御線と前記信号出力線とが前記共通
線にて構成されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項3】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記転送制御線と前記信号出力線とが前記共通線に
て構成されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項4】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記リセット制御線と前記信号出力線とが第1の共
通線にて構成されており、前記転送制御線と前記選択制
御線とが第2の共通線にて構成されていることを特徴と
する固体撮像装置。 - 【請求項5】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記リセット制御線と前記信号出力線とが前記共通
線にて構成されており、 前記共通線には、前記リセット手段をオンさせるに十分
なオン電圧を与える為のスイッチが設けられていること
を特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項6】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記選択手段をオンしている期間に、前記信号出力
線からノイズ信号と光信号とを読み出すことを特徴とす
る固体撮像装置。 - 【請求項7】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記単位セルは、2次元行列状に配列されているこ
とを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項8】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記単位セルは、2次元行列状に配列され、隣接す
る2つの単位セル間に電源線が配されていることを特徴
とする固体撮像装置。 - 【請求項9】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、前記光電変換部と、前記増幅手段と、前記転送手段
と、前記リセット手段と、前記選択手段は、全て同一導
電型の素子であることを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項10】 請求項1〜9のいずれかの請求項に記
載の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光
学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号
処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
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