JP3827145B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関し、特に光検出におけるダイナミックレンジの拡大を図った固体撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図9は従来の固体撮像装置を示す構成図、図10は図9の固体撮像装置を構成する1つの画素部周辺を示す回路図、図11は図10に示した回路の動作を示すタイミングチャートである。
図9に示した固体撮像装置102は、具体的にはCMOS光センサーであり、半導体基板上に形成された画素領域104、V選択手段106、H選択手段108、タイミングジェネレータ110(TG)、信号処理部112、定電流部114Aなどを含んでいる。画素領域104には、多数の画素がマトリクス状に配列され、各画素が光を検出して生成した電気信号が、タイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづきV選択手段106およびH選択手段108により順次選択され、水平信号線116から出力部118を通じて出力する構成となっている。
【0003】
画素120は、図10に示したように、フォトダイオード122、電荷量に応じた大きさの電圧を生成するフローティングディフュージョン部124(FD部124)、転送パルスが供給されたときフォトダイオード122をFD部124に接続する転送ゲート126と、リセットパルスが供給されたときFD部124を電源Vddに接続するリセットゲート128、FD部124の電圧を出力するバッファー回路130を含んで構成されている。
【0004】
フォトダイオード122は、アノードがグランドに接続され、カソードは、転送ゲート126を構成するN型のMOSFET(MOS電界効果トランジスター)のソースに接続されている。同MOSFETのドレインはFD部124に接続され、またゲートにはタイミングジェネレータ110より転送パルス132が供給される。リセットゲート128もN型のMOSFETにより構成され、そのソースはFD部124に、ドレインは電源Vddにそれぞれ接続され、ゲートにはタイミングジェネレータ110よりリセットパルス134が供給される。
【0005】
バッファー回路130を構成するN型のMOSFETのゲートはFD部124に接続され、ドレインは電源Vddに接続されている。バッファー回路130と垂直信号線136との間には、N型のMOSFETから成るアドレスゲート138が介在し、そのゲートにはV選択手段106からアドレスパルス140が供給される。そして、バッファー回路130のソースはアドレスゲート138のドレインに接続され、アドレスゲート138のソースは垂直信号線136に接続されている。
【0006】
垂直信号線136は、マトリクス状に配列された画素120の各列ごとに設けられ、同一の列に属する画素120のアドレスゲート138のソースはすべて対応する垂直信号線136に接続されている。垂直信号線136の一端は、画素領域104の外に配置された定電流部114Aにおいて定電流源114に接続され、垂直信号線136に一定の電流が流されている。垂直信号線136の他端は、画素領域104の外に配置された信号処理部112に接続されている。
【0007】
信号処理部112には、各垂直信号線136ごとに第1および第2のサンプルホールド回路142、144、CDS(Correlated Double Sampling)回路146(第1の演算回路)などが設けられている。第1および第2のサンプルホールド回路142、144は、タイミングジェネレータ110から第1および第2のサンプリングパルス148、150が供給されて、バッファー回路130が垂直信号線136に出力した信号電圧を保持する。CDS回路146は、これら第1および第2のサンプルホールド回路142、144が保持した電圧の差を算出する。
【0008】
各垂直信号線136ごとのCDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ110からのタイミング信号にもとづいて動作するH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じて出力される。出力部118は詳しくは増幅回路、AGC回路、A/D変換器などにより構成されている。
【0009】
次に、このように構成された固体撮像装置102の動作について、図11をも参照しつつ、画素120における動作を中心に説明する。
V選択手段106はタイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづき動作して、画素領域104の行を選択し、選択した行に属する画素120に対し、タイミングT1でアドレスパルス140(ハイレベル)を出力する。このアドレスパルス140は、各画素120においてアドレスゲート138に供給され、その結果、アドレスゲート138がオンしてバッファー回路130が垂直信号線136に接続される。
【0010】
次に、タイミングジェネレータ110はタイミングT2においてリセットパルス134を出力し、これによりリセットゲート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している電荷(電子)が排除される。そして、このリセット状態のFD部124の電圧がバッファー回路130により垂直信号線136に出力される。なお、バッファー回路130は、アドレスゲート138がオンしているときは、定電流源114とともにソースフォロワー回路を形成するので、ゲート電圧、すなわちFD部124の電圧に追従した電圧がバッファー回路130から垂直信号線136に低インピーダンスで出力される。
【0011】
つづいて、タイミングT3において、タイミングジェネレータ110は垂直信号線136ごとに設けられた各第1のサンプルホールド回路142に第1のサンプリングパルス148を出力し、バッファー回路130により垂直信号線136に出力された電圧を保持させる。
その後、タイミングT4において、タイミングジェネレータ110は転送パルス132を出力し、転送ゲート126をオンさせてフォトダイオード122がタイミングT4までに受光して蓄積した電荷(電子)をFD部124に転送させる。FD部124は転送された電荷量に応じた電圧を生成し、バッファー回路130はその電圧を、低インピーダンスで垂直信号線136に出力する。
【0012】
そして、タイミングジェネレータ110はタイミングT5で、垂直信号線136ごとに設けられた各第2のサンプルホールド回路144に第2のサンプリングパルス150を出力し、このときバッファー回路130が垂直信号線136に出力している電圧を保持させる。これにより、各垂直信号線136ごとに設けられたCDS回路146は、第1のサンプルホールド回路142が保持しているリセット時の電圧と、第2のサンプルホールド回路144が保持している電圧との差を算出して、オフセット分を除去した、フォトダイオード122の受光光量に対応する大きさの電圧を出力する。
なお、上記オフセット分は画素120ごとに大きさが異なるため、このようにCDS回路146によりオフセット分を除去することで、オフセットのバラツキによるノイズを除去することができる。
【0013】
各垂直信号線136ごとのCDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづきH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じ画像信号として出力される。
V選択手段106はタイミングT6においてアドレスパルス140をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート138がオフしてバッファー回路130が垂直信号線136から切り離され、1行分の画素120に関する動作が完了する。
【0014】
以降、V選択手段106は、タイミングジェネレータ110からのタイミングパルスにもとづき動作して、画素部120の各行を順次選択する。そして、各行ごとに上述のような動作が行われ、V選択手段106がすべての行を選択したところで、すべての画素部120により生成された画像1枚分の画像信号が出力されたことになる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような固体撮像装置102では、フォトダイオード122が生成した電荷がオーバーフローするまでの範囲、すなわちフォトダイオード122の飽和レベルまでの範囲の光量しか検出することができなかった。したがって、たとえば被写体の暗い部分に絞りやシャッター速度を合わせた場合には、被写体の明るい部分は、フォトダイオード122が飽和してしまうことから、全体がたとえば真っ白に撮影されてしまい、映像を得ることはできなかった。
【0016】
この問題の解決を図るべく、特開平11−313257号公報には、受光光量の対数に対応した信号を出力するようにしてダイナミックレンジを拡大した固体撮像素子が開示されている。しかし、この固体撮像素子では、コンデンサーを使用していることから、その充放電に時間がかかり、残像が生じるという欠点がある。そして、構造的に、雑音が少ないという長所を有している埋め込みフォトダイオード(フォトダイオード表面の絶縁膜とフォトダイオードとの間にたとえばP+層が形成されている)を使用できないため、画質が劣るという問題がある。そして、画素回路の構成要素が多いため、小型化が困難である。
【0017】
また、シャッター速度、したがってフォトダイオード122における電荷蓄積時間を変え、フォトダイオード122が飽和しないような短い時間と、充分に長い時間とで撮影して、各撮影画像を合成することでダイナミックレンジを拡大するといった手法も知られているが、この方法では、ラインメモリーやフレームメモリーが必要なために装置が大型化し、またコスト高となってしまう。そして、感光期間の異なる2つの信号を合成するので、動く被写体への適用が困難である。さらに、画素領域104の隣接行間で電荷蓄積時間を変えることにより、メモリーを不要にする技術も知られているが、この技術では画素の隣接行間での演算処理が必要であるため、装置が大型化し、また構成が複雑となる。さらに、2画素で1つの信号を生成するので解像度が劣化する。
【0018】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、ダイナミックレンジが広く、かつ高性能で、しかも小型、低コストの固体撮像装置を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、(イ)半導体基板上に1個以上の画素と、画素駆動部と、信号処理回路部とを配し、(ロ)前記画素は、フォトダイオード部と、電荷量に応じた大きさの電圧を生成するフローティングディフュージョン部と、ソースが前記フォトダイオード部に、ドレインが前記フローティングディフュージョン部にそれぞれ接続されており、制御電極に転送パルスが供給されることにより、チャネル電圧が第1の極性方向へ変化して導通状態になるようにした、電界効果トランジスタである転送トランジスタと、ソースが前記フローティングディフュージョン部に、ドレインが所定電位点にそれぞれ接続されており、制御電極にリセットパルスが供給されることにより、チャネル電圧が前記第1の極性方向へ変化して導通状態になるようにした、前記転送トランジスタと同一極性の電界効果トランジスタであるリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョン部の電圧を出力するバッファー手段とを含み、(ハ)前記画素駆動部は、前記リセットトランジスタの制御電極にリセットパルスを供給した後、前記転送トランジスタの制御電極に転送パルスを供給し、(ニ)前記信号処理回路部は、前記リセットパルスが供給される前の前記バッファー手段の出力電圧を、前記フォトダイオード部による第1の光検出電圧として処理し、前記転送パルスが供給された後の前記バッファー手段の出力電圧を、前記フォトダイオード部による第2の光検出電圧として処理するようにした固体撮像装置であって、前記バッファー手段が前記第1の光検出電圧を出力する期間に、前記転送トランジスタのチャネル電圧に対して、前記リセットトランジスタのチャネル電圧を、前記第1の極性方向へ異ならせていることを特徴とする。
【0020】
本発明の固体撮像装置では、リセットパルスがリセットゲートに供給される前に、バッファー手段の出力電圧が第2の信号経路に取り込まれる。このリセットパルスがリセットゲートに供給される前の段階では、フォトダイオードに対する入射光量が多い場合、フォトダイオードが生成した電荷はフォトダイオードからオーバーフローしてFD部に流れ込み、さらにFD部でもオーバーフローして所定電位点に流出する。
このとき、FD部の電圧は、所定電位点に流出する電荷による電流の大きさにより決まるが、電界効果トランジスターによるリセットゲートは、チャネルに流れる電流が小さくサブスレッショルド領域で動作するので、FD部の電圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、FD部の電圧がバッファー手段を通じて出力され、第2の信号経路に供給されるので、入射光量が多い場合、第2の信号経路に供給される電圧は、入射光量の対数に対応した値となる。
すなわち、本発明では、フォトダイオードの入射光量が多い場合、入射光量の対数に対応した電圧が第2の信号経路から出力され、よって、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を実現することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図1は本発明による固体撮像装置の一例を構成する画素部周辺を示す回路図、図2は実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図、図3は主に図1の画素部の動作を示すタイミングチャート、図4は図1の画素部を構成するフォトダイオード周辺のポテンシャル図である。図1、図2において図9、図10と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
【0022】
図1に示したように、実施の形態例の固体撮像装置では、マトリックス状に画素120が並べられた画素領域104の各列に対して、サンプルホールド回路2、ならびにCDS回路4(第2の演算回路)が新たに設けられている。サンプルホールド回路2は、タイミングジェネレータ6(図2)からのサンプリングパルス8にもとづいて垂直信号線136に出力されている電圧を保持し、CDS回路4はサンプルホールド回路2が保持している電圧と、第1のサンプルホールド回路142が保持している電圧との差を算出し、オフセット分を除去する。これらの回路はすべて図2に示した信号処理部10に配置されている。
【0023】
本実施の形態例では、図2に示したように、信号処理部10とともにH選択手段12が新たに設けられ、信号処理部10のCDS回路4の出力信号は、H選択手段12により順次選択され水平信号線14を通じ出力部16から出力される。出力部16は詳しくは増幅回路、AGC回路、A/D変換器などにより構成されている。
タイミングジェネレータ6は、従来同様、画素120、V選択手段106、H選択手段108、信号処理部112にタイミングパルスを供給するとともに、上記信号処理部10およびH選択手段12にタイミングパルスを出力する。
【0024】
次に、本実施の形態例の固体撮像装置1の動作について、図3、図4をも参照しつつ説明する。
図3において、図11に示したタイミングに相当するタイミングには同じ符号が付されている。図4の(A)は画素120におけるフォトダイオード122(PD)、転送ゲート126、FD部124、リセットゲート128、ならびに電源Vddの位置関係を示し、(B)から(E)は図3に示した各タイミングにおける各部のポテンシャルの状態を示している。図4の(B)から(E)において、下方が正の方向となっている。
【0025】
V選択手段106はタイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづき本発明に係わるタイミングパルス発生手段の一部として動作して、画素領域104の行を選択し、選択した行に属する画素120に対し、タイミングT1でアドレスパルス140(ハイレベル)を出力する。このアドレスパルス140は、各画素部120においてアドレスゲート138に供給され、その結果、アドレスゲート138がオンしてバッファー回路130が垂直信号線136に接続される。このとき、バッファー回路130は定電流源114とともにソースフォロワー回路を形成するので、ゲート電圧、すなわちFD部124の電圧に追従した電圧がバッファー回路130から垂直信号線136に低インピーダンスで出力される。
【0026】
その後、タイミングジェネレータ6はタイミングT1aで、サンプルホールド回路2に対してサンプリングパルス8を出力し、バッファー回路130を通じて垂直信号線136に出力されているFD部124の電圧を保持させる。なお、ここで保持した電圧がどのような電圧であるかについては、後に図4を参照して詳しく説明する。
【0027】
次に、タイミングジェネレータ6はタイミングT2においてリセットパルス134を出力し、これによりリセットゲート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している電荷が排除される。そして、このリセット状態のFD部124の電圧がバッファー回路130により垂直信号線136に出力される。
【0028】
つづいて、タイミングT3において、タイミングジェネレータ6は垂直信号線136ごとに設けられた各第1のサンプルホールド回路142に第1のサンプリングパルス148を出力し、バッファー回路130により垂直信号線136に出力された電圧を保持させる。
その後、タイミングT4において、タイミングジェネレータ6は転送パルス132を出力し、転送ゲート126をオンさせてフォトダイオード122がタイミングT4までに受光して蓄積した電荷をFD部124に転送させる。FD部124は転送された電荷量に応じた電圧を生成し、バッファー回路130はその電圧を低インピーダンスで垂直信号線136に出力する。
【0029】
そして、タイミングジェネレータ6はタイミングT5で、垂直信号線136ごとに設けられた各第2のサンプルホールド回路144に第2のサンプリングパルス150を出力し、このときバッファー回路130が垂直信号線136に出力している電圧を保持させる。これにより、信号処理部112では、各垂直信号線136ごとに設けられたCDS回路146が、第1および第2のサンプルホールド回路142、144が保持している電圧の差を算出して、オフセット分を除去し、フォトダイオード122の受光光量に対応する大きさの電圧を出力する。各垂直信号線136ごとのCDS回路146の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段108により順次選択されて水平信号線116に出力され、出力部118を通じ画像信号として出力される。
【0030】
一方、信号処理部10では、各垂直信号線136ごとに設けられたCDS回路4が、サンプルホールド回路2が保持している電圧、および第1のサンプルホールド回路142(信号処理部112)が保持しているリセット時の電圧の差を算出し、オフセット分を除去して、フォトダイオード122の受光光量に対応する大きさの電圧を出力する。各垂直信号線136ごとのCDS回路4の出力信号は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづきH選択手段12により順次選択されて水平信号線14に出力され、出力部16を通じ画像信号として出力される。
【0031】
タイミングジェネレータ6は、次のサイクルに備えるべくタイミングT5aにおいて再度リセットパルス134を出力する。これによりリセットゲート128がオンしてFD部124は電源Vddに接続され、FD部124に蓄積している電荷が排除される。
V選択手段106はタイミングT6においてアドレスパルス140をローレベルに戻し、その結果、アドレスゲート138がオフしてバッファー回路130が垂直信号線136から切り離され、1行分の画素部120に関する動作が完了する。
【0032】
以降、V選択手段106は、タイミングジェネレータ6からのタイミングパルスにもとづき動作して、画素部120の各行を順次選択する。そして、各行ごとに上述のような動作が行われ、V選択手段106がすべての行を選択したところで、すべての画素部120により生成された1枚分の画像信号が出力されたことになる。
【0033】
次に、フォトダイオード122への入射光量が多い場合の各部のポテンシャルを示す図4を参照してさらに詳しく説明する。図4の(B)は図3のタイミングT1aにおける状態を示し、図4の(C)、(D)、(E)はそれぞれタイミングT3、T5、T6の状態を示している。
【0034】
フォトダイオード122への入射光量が多い場合、図4の(B)に示したように、フォトダイオード122が受光して生成した電荷20は転送ゲート126を越えてFD部124へと溢れ、さらに入射光量が多い場合はFD部124も溢れて電荷20はリセットゲート128を越えて電源Vddへと流れ込む。
このとき、FD部124の電圧は、電源Vddに流出する電荷による電流の大きさにより決まるが、フォトダイオード122が生成する電荷量は小さく、MOSFETによるリセットゲート128のチャネルに流れる電流はナノアンペア以下のオーダーの弱い電流であり、リセットゲート128はサブスレッショルド領域で動作するので、FD部124の電圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、このFD部124の電圧がバッファー回路130を通じて出力され、サンプルホールド回路2に供給されるので、入射光量が多い場合、タイミングT1aでサンプルホールド回路2が保持する電圧は、入射光量の対数に対応した値となる。
【0035】
なお、入射光量が、フォトダイオード122からFD部124へ電荷が溢れるるものの、FD部124から電源へは溢れない程度であった場合には、FD部124はフォトダイオード122から溢れた電荷に対応する電圧を生成するので、サンプルホールド回路2が保持する電圧は、フォトダイオード122から溢れた電荷量に比例した電圧となる。
【0036】
その後、タイミングT2でFD部124がリセットされ、各部のポテンシャルは図4の(C)のようになり、そしてリセット直後のFD部124の電圧がバッファーを通じて出力され、第1のサンプルホールド回路142に保持される(タイミングT3)。
【0037】
上述のように、CDS回路4はサンプルホールド回路2が保持している電圧と、第1のサンプルホールドが保持しているリセットレベルの電圧(オフセット分)との差を算出するので、その出力電圧は、入射光量が多い場合のオフセット調整が行われた電圧となる。
【0038】
次に、タイミングT4で転送ゲート126がオンすることから、図4の(D)に示したように、フォトダイオード122に蓄積されていた電荷20がFD部124に転送されFD部124に蓄積する。そして、タイミングT5で、この電荷量に対応する電圧が、第2のサンプルホールド回路144に保持される。この電圧は、入射光量がフォトダイオード122を飽和させない程度のものであれば、入射光量に対応した電圧となるが、今のように入射光量が多い場合には、フォトダイオード122が飽和した状態に対応する電圧となる。
そして、信号処理部112のCDS回路146は、上述のように第1および第2のサンプルホールド回路142、144が保持している電圧の差を算出する。
【0039】
その後、タイミングT5aでFD部124が再度リセットされるので、ポテンシャルは図4の(E)に示したように、いずれの箇所にも電荷が蓄積していない状態となる。そして、これ以降、フォトダイオード122が受光して生成した電荷はフォトダイオード122の箇所に除々に蓄積し、次のサイクルのタイミングT1aで、それまでに蓄積した電荷に対応する電圧が上述のようにして取得されることになる。
【0040】
このように、本実施の形態例の固体撮像装置1では、フォトダイオード122の入射光量が多い場合でも、入射光量の対数に対応した電圧がサンプルホールド回路2、したがって出力部16から出力される。
そのため、被写体における標準的な明るさ(フォトダイオード122が飽和しない明るさ)の箇所では、従来どおり明るさに比例して信号レベルが変化する出力部118の出力を用い、それ以上の明るさの箇所では、出力部16の対数出力を用いることができる。これにより、たとえば従来の1万倍という広いダイナミックレンジを備えた固体撮像装置も実現することが可能となる。
【0041】
また、本実施の形態例では、上述のように出力部118および出力部16から同時に信号を出力できるので、必要に応じて両出力を用いるか、一方のみを用いるといった選択が可能であり、後段の信号処理における自由度が高い。
また、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、また、雑音の少ない埋め込みフォトダイオード122を使用できるため、良好な画質が得られる。
そして、ラインメモリー、フレームメモリーを用いたり、画素領域104の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であり、製造コストが特に上昇することもない。
さらに、画素部120の構成は従来と同じであるから、画素部120のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
【0042】
ここで、リセットゲート128を構成するMOSFETのチャネル電圧について説明する。FD部124の電圧をサンプリングする図4の(B)および(E)の状態(タイミングT1a、T6)では、チャネル電圧Vr1は、フォトダイオード122を飽和させる光量のたとえば1万倍などの大光量に対しても、FD部124の電圧が光量の対数に対応する値となり、かつバッファー回路130の入力レンジに収まる電圧となるように設定する。このようなチャネル電圧Vr1は多くの場合、ポテンシャルの下限を決定する。
なお、チャネル電圧の設定は、具体的にはMOSFETのゲート下のイオンインプランテーションやゲート電圧の調整などにより行うことができる。
【0043】
一方、図4の(C)、(D)の状態(タイミングT3、T5)では、チャネル電圧Vr2は、フォトダイオード122から溢れた電荷をFD部124がすべて受け取ることができるような値に設定する。このようなチャネル電圧Vr2は多くの場合、ポテンシャルの上限を決定する。
【0044】
このような条件で設定するチャネル電圧Vr1、Vr2は、互いに同一の電圧でもよいが、Vr1>Vr2とすることが好ましい。たとえば、電源Vddの電圧が2.5Vなら、チャネル電圧を、電流が1nAとなるときのソース電圧と定義した場合に、Vr1=1.7V、Vr2=1.0Vとすることができる。なお、このような異なるチャネル電圧は、リセットゲート128を構成するMOSFETのゲートに、タイミングにより異なる電圧を印加することで設定することができる。
【0045】
本実施の形態例では、信号処理部10にもCDS回路4を設けるとしたが、サンプルホールド回路2により保持した電圧に対してはオフセット分の除去を行わない構成とすることも可能である。すなわち、サンプルホールド回路2が出力する信号は入射光量が多い場合の信号であり、その信号レベルは大きい。したがって、画素部120ごとのオフセット分のバラツキ成分が信号に含まれていたとしても、その影響は小さく、よってCDS回路4を用いない構成としてもよい。
【0046】
また、本実施の形態例では、FD部124をリセットする場合、FD部124をリセットゲート128を通じて電源Vddに接続し、FD部124の電圧を電源Vddの電圧としたが、リセット後のFD部124の電圧は、これに限らず電源電圧より低い電圧としてもよく、その場合にも、同様の作用効果が得られる。
そして、本実施の形態例では、電子がキャリアであるとしたが、各ゲートなどを構成するMOSFETとしてP型のMOSFETを用い、正孔をキャリアとした場合にも、基本的な動作は変わらず、同様の作用効果が得られる。
また、ここではタイミングジェネレータを内蔵した場合の形態例を示したが、タイミングジェネレータは外付けでも本発明には影響しない。また、信号処理部は並列に配した2つのサンプルホールド回路を用いる形態例を挙げたが、2つの信号の差を取り、保持する回路であってもよい。さらに、垂直信号線に直接バッファーを接続して、外部に出力することも可能であり、垂直信号線以降の信号処理は種々の形態で実施することができる。
【0047】
次に、本発明の第2の実施の形態例について説明する。
図5は第2の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素とその周辺を示す回路図、図6は図5の画素部の動作を示すタイミングチャートである。図5において図1と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する説明はここでは省略する。また、図6において図3と同一のタイミングには同一の符号が付されている。
図5に示した画素部22が図1の画素部120と異なるのは、リセットゲート128を構成するトランジスターのドレインを、電源ライン24に接続し、電圧制御回路26より電源ライン24に電圧を印加する構成とした点である。
【0048】
そして、電圧制御回路26は、図6に示したように、常時は電源Vddと同じ電圧を電源ライン24に出力するが、タイミングT6でアドレスゲート138をオフさせた後、次のサイクルのタイミングT1aでサンプルホールド回路2にサンプリングパルス8を供給する前に、タイミングT7で電源Vddの電圧のたとえば半分の電圧に一時的に低下させる。これにより、FD部124は電荷により満たされた状態となる。したがって、以降、入射光量が大きく、フォトダイオード122から溢れてきた電荷は、ただちに電源ライン24側に溢れる。その結果、第2の実施の形態例では、入射光量が大きく、フォトダイオード122で電荷が溢れた場合には、最初から入射光量の対数に対応した大きさの電圧がバッファー回路130に入力され、よって入射光量とバッファー回路130の出力電圧との関係は、上記実施の形態例の場合のような途中のリニアな領域はなく、最初から対数の関係となる。
【0049】
なお、タイミングT7で電源ライン24の電圧を低くし過ぎた場合には、フォトダイオード122にまで電荷が注入されるため好ましくない。ただし、タイミングT7の後、フォトダイオード122に蓄積している電荷のリセットも行う場合には、グランド電位とすることも可能である。
【0050】
次に、本発明の第3の実施の形態例について説明する。
図7は第3の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素部およびその周辺を示す回路図、図8は図7の画素部の動作を示すタイミングチャートである。図7において図1と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する説明はここでは省略する。
【0051】
第3の実施の形態例の固体撮像装置は、上記実施の形態例で各垂直信号線136に接続されていた定電流源114に変えてスイッチング素子が設けられている点、および上記タイミングジェネレータ6に相当するタイミングジェネレータ(図示せず)が同スイッチング素子をも制御する点で最初の実施の形態例の固体撮像装置と異なっている。
【0052】
図7に示したように、上記スイッチング素子は、トランジスター28(N型のMOSFET)から成り、トランジスター28のゲートにはタイミングジェネレータからロードパルス30が入力され、トランジスター28のソースはグランドに、ドレインは垂直信号線136に接続されている。
【0053】
このような構成において、第3の実施の形態例の固体撮像装置を構成するタイミングジェネレータは、図8に示したように、タイミングT1a、T3、T5で各サンプルホールド回路にサンプリングパルスを供給するのに先だって、タイミングT1b、T2a、T4aにおいてそれぞれロードパルス30をトランジスター28に出力し、一定の期間、トランジスター28をオンさせて垂直信号線136をグランドに接続する。
【0054】
したがって、この固体撮像装置では、垂直信号線136にバッファー回路130から出力される電圧を各サンプルホールド回路2に取り込む前に、垂直信号線136に係わる寄生容量に蓄積している電荷が放電され、その後、垂直信号線136はグランドから切り離される。そして、垂直信号線136がグランドから切り離された直後から、垂直信号線136の電圧は、バッファー回路130の出力電圧、すなわちFD部124の電圧を反映した電圧に漸近して、タイミングT1a、T3、T5までには同電圧に一致し、これらのタイミングでサンプルホールド回路2、第1および第2のサンプルホールド回路142、144は、固体撮像装置1の場合と同様に垂直信号線136の電圧を保持する。
【0055】
この第3の実施の形態例では、トランジスター28は常時は動作している必要がないので、定電流源114として動作させる場合のようにトランジスター28のソース・ドレイン間に一定値以上の電圧が印加された状態に保つ必要がない。よって、バッファー回路130に入力できる電圧の最小値はトランジスタのしきい値程度となり、リセットゲート128のチャネル電圧Vr1、Vr2を低くしても画素部120は動作可能となる。そのため、チャネル電圧Vr1、Vr2の選択において自由度が増す。たとえば電源Vddの電圧が2.5Vの場合、リセットゲート128のチャネル電圧を、電流1nAで定義したときに、チャネル電圧Vr1、Vr2はともに1.0Vとしてもよい。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置では、リセットパルスがリセットゲートに供給される前に、バッファー手段の出力電圧が第2の信号経路に取り込まれる。このリセットパルスがリセットゲートに供給される前の段階では、フォトダイオードに対する入射光量が多い場合、フォトダイオードが生成した電荷はフォトダイオードからオーバーフローしてFD部に流れ込み、さらにFD部でもオーバーフローして所定電位点に流出する。
このとき、FD部の電圧は、所定電位点に流出する電荷による電流の大きさにより決まるが、電界効果トランジスターによるリセットゲートは、チャネルに流れる電流が小さくサブスレッショルド領域で動作するので、FD部の電圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、FD部の電圧がバッファー手段を通じて出力され、第2の信号経路に供給されるので、入射光量が多い場合、第2の信号経路に供給される電圧は、入射光量の対数に対応した値となる。
すなわち、本発明では、フォトダイオードの入射光量が多い場合、入射光量の対数に対応した電圧が第2の信号経路から出力され、よって、ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を実現することができる。
【0057】
また、本発明では、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、また、雑音の少ない埋め込みフォトダイオードを使用できるため、良好な画質が得られる。
そして、ラインメモリー、フレームメモリーを用いたり、画素部の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であり、特に製造コストが上昇することもない。
さらに、画素部は基本的に従来と同じ構成とできるので、画素部のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、明るい部分の信号と暗い部分の信号とで、感光期間がずれるということがなく、解像度も劣化しない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体撮像装置の一例を構成する画素部周辺を示す回路図である。
【図2】実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図3】図1の画素部周辺の動作を示すタイミングチャートである。
【図4】図1の画素部を構成するフォトダイオード周辺のポテンシャル図である。
【図5】第2の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素部周辺を示す回路図である。
【図6】図5の画素部の動作を示すタイミングチャートである。
【図7】第3の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素部およびその周辺を示す回路図である。
【図8】図7の画素部の動作を示すタイミングチャートである。
【図9】従来の固体撮像装置を示す構成図である。
【図10】図9の固体撮像装置を構成する1つの画素部周辺を示す回路図である。
【図11】図10に示した回路の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
1……固体撮像装置、2……サンプルホールド回路、4……CDS回路、6……タイミングジェネレータ、8……サンプリングパルス、10……信号処理部、12……H選択手段、14……水平信号線、16……出力部、20……電荷、22……画素部、24……電源ライン、26……電圧制御回路、28……トランジスター、30……ロードパルス。
Claims (4)
- (イ)半導体基板上に1個以上の画素と、画素駆動部と、信号処理回路部とを配し、
(ロ)前記画素は、
フォトダイオード部と、
電荷量に応じた大きさの電圧を生成するフローティングディフュージョン部と、
ソースが前記フォトダイオード部に、ドレインが前記フローティングディフュージョン部にそれぞれ接続されており、制御電極に転送パルスが供給されることにより、チャネル電圧が第1の極性方向へ変化して導通状態になるようにした、電界効果トランジスタである転送トランジスタと、
ソースが前記フローティングディフュージョン部に、ドレインが所定電位点にそれぞれ接続されており、制御電極にリセットパルスが供給されることにより、チャネル電圧が前記第1の極性方向へ変化して導通状態になるようにした、前記転送トランジスタと同一極性の電界効果トランジスタであるリセットトランジスタと、
前記フローティングディフュージョン部の電圧を出力するバッファー手段とを含み、
(ハ)前記画素駆動部は、前記リセットトランジスタの制御電極にリセットパルスを供給した後、前記転送トランジスタの制御電極に転送パルスを供給し、
(ニ)前記信号処理回路部は、
前記リセットパルスが供給される前の前記バッファー手段の出力電圧を、前記フォトダイオード部による第1の光検出電圧として処理し、
前記転送パルスが供給された後の前記バッファー手段の出力電圧を、前記フォトダイオード部による第2の光検出電圧として処理するようにした、
固体撮像装置であって、
前記バッファー手段が前記第1の光検出電圧を出力する期間に、前記転送トランジスタのチャネル電圧に対して、前記リセットトランジスタのチャネル電圧を、前記第1の極性方向へ異ならせている、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記画素駆動部は、前記バッファー手段が前記第1の光検出電圧を出力する期間における前記リセットトランジスタの制御電極の電圧を、前記バッファー手段が前記第2の光検出手段を出力する期間における前記リセットトランジスタの制御電極の電圧に対して、前記第1の極性方向へ異ならせることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記所定電位点の電圧を制御する電圧制御手段を備え、該電圧制御手段は、前記バッファー手段が前記第2の光検出電圧を出力した後、一定の期間、前記所定電位点の電圧を、前記第1の極性方向とは逆方向の第2の極性方向へ変化させることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記画素が複数個マトリクス状に配列された画素領域を有し、
前記画素領域の各列ごとに垂直信号線が設けられ、各画素の前記バッファー手段の出力電圧はその画素が対応する前記垂直信号線を通じて出力され、
前記垂直信号線と第2の基準電位点との間に接続され、ロードパルスが供給されたときオンするスイッチング素子を含み、
前記スイッチング素子には、前記第1の光検出電圧の出力の前に終了する第1のロードパルスと、前記第1の光検出電圧の出力より後に開始して前記転送パルス終了から前記第2の光検出電圧の出力までの間に終了する第2のロードパルスとが供給され、
前記バッファー手段は、電界効果トランジスタから成り、該電界効果トランジスタは、制御電極が前記フローティングディフュージョン部に接続されており、少なくとも前記バッファー手段が電圧を出力するときには、ドレインが電源に、ソースが前記垂直信号線にそれぞれ接続された状態とされ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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