(57)【要約】【課題】外力に起因する特性変化が低減された半導体装置を提供すること。【解決手段】第１導電型の第１トランジスタと、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２トランジスタと、前記第１トランジスタの主電極間を流れる電流に基づいて生成される第１電流と、前記第２トランジスタの主電極間を流れる電流に基づいて生成される第２電流とが加算された第３電流を出力する出力端子と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１トランジスタと、
前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２トランジスタと、
前記第１トランジスタの主電極間を流れる電流に基づいて生成される第１電流と、前記第２トランジスタの主電極間を流れる電流に基づいて生成される第２電流とが加算された第３電流を出力する出力端子と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１トランジスタの制御電極に印加される電位を保持する第１サンプルホールド回路を更に有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記出力端子は、前記第１サンプルホールド回路がホールド状態であるときに前記第３電流を出力する、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２トランジスタの制御電極に印加される電位を保持する第２サンプルホールド回路を更に有する、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記出力端子は、前記第２サンプルホールド回路がホールド状態であるときに前記第３電流を出力する、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２導電型の第３トランジスタと、
前記第２導電型の第４トランジスタと、
を更に有し、
前記第３トランジスタと前記第４トランジスタとは、カレントミラー回路を構成し、
前記カレントミラー回路は、前記第１トランジスタの主電極間を流れる電流を複製することにより、前記第１電流を生成する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとは、同一の半導体基板に形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
１つの前記第１トランジスタに対応する複数の前記第２トランジスタを有し、
複数の前記第３電流を出力可能である、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
１つの前記第１トランジスタと、前記１つの前記第１トランジスタに対応する複数の前記第２トランジスタとを含む回路群を複数個有する、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１トランジスタは、ＰチャネルＭＯＳトランジスタであり、
前記第２トランジスタは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタである、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第１トランジスタのチャネルの方向と前記第２トランジスタのチャネルの方向は同一である、
ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
光電変換により入射光に応じた電荷を生成する光電変換素子を含む画素と、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の半導体装置と、
を有し、
前記半導体装置は、前記画素に前記第３電流を供給する、
ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部と、
を有することを特徴とする光電変換システム。
【請求項１４】
移動体であって、
請求項１２に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置からの信号に基づく視差情報から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、光電変換装置、光電変換システム及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、行列状に配置された複数の画素と、列ごとに設けられた垂直信号線と、垂直信号線に対応して列ごとに設けられた負荷トランジスタとを有する固体撮像装置が開示されている。各列の負荷トランジスタと基準トランジスタとは、カレントミラー回路を構成している。
【０００３】
非特許文献１には、トランジスタが応力を受けた場合にトランジスタの電気特性が変化することが開示されている。また、非特許文献１には、ＮチャネルＭＯＳトランジスタとＰチャネルＭＯＳトランジスタとでは応力に対する特性変化の傾向が逆であることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６１２７０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】平本俊郎  他著，「集積ナノデバイス」，丸善株式会社，２００９年１１月，ｐ.９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体基板に外力が印加されると、半導体基板に形成されているトランジスタの特性が変化する場合がある。そこで本発明は、外力に起因する特性変化が低減された半導体装置、光電変換装置、光電変換システム及び移動体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によれば、第１導電型の第１トランジスタと、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２トランジスタと、前記第１トランジスタの主電極間を流れる電流に基づいて生成される第１電流と、前記第２トランジスタの主電極間を流れる電流に基づいて生成される第２電流とが加算された第３電流を出力する出力端子と、を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、外力に起因する特性変化が低減された半導体装置、光電変換装置、光電変換システム及び移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置の構成を示す回路図である。
【図２】第２実施形態に係る半導体装置の構成を示す回路図である。
【図３】第３実施形態に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】第３実施形態に係る画素の回路構成を示す回路図である。
【図５】第３実施形態に係る撮像装置の動作を示すタイミング図である。
【図６】第３実施形態の電流源回路の変形例を示すブロック図である。
【図７】第４実施形態に係る撮像システムの構成例を示すブロック図である。
【図８】第５実施形態に係る撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。
【００１１】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る半導体装置の構成を示す回路図である。本実施形態の半導体装置は、他の回路に電流を供給するための電流供給回路である。本実施形態の半導体装置は、例えば、撮像装置等の光電変換装置の読み出しのための電流源として用いられ得るが、これに限られない。
【００１２】
半導体装置は、バイアス生成部１１０、基準電流生成部１２０及び電流供給部１４１、１４２を有する。これらの各部は、半導体基板に形成される。図１では、２つの電流供給部１４１、１４２が図示されているが、電流供給部の個数は、特に限定されるものではなく、例えば、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。また、基準電流生成部１２０の個数が複数であってもよい。
【００１３】
バイアス生成部１１０は、トランジスタＰＭ１、ＮＭ１、ＮＭ２及び定電流源ＩＳを有する。基準電流生成部１２０は、トランジスタＰＭ２、ＮＭ３、キャパシタＣ１及びスイッチＳ１を有する。電流供給部１４１は、トランジスタＮＭ４、ＮＭ５、キャパシタＣ２及びスイッチＳ２を有する。電流供給部１４２は、トランジスタＮＭ６、ＮＭ７、キャパシタＣ３及びスイッチＳ３を有する。なお、各トランジスタの説明において、ソース又はドレインは主電極と呼ばれることがあり、ゲートは制御電極と呼ばれることがある。
【００１４】
トランジスタＰＭ１、ＰＭ２は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタであり、トランジスタＮＭ１、ＮＭ２、ＮＭ３、ＮＭ４、ＮＭ５、ＮＭ６、ＮＭ７は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタである。本明細書において、ＰチャネルＭＯＳトランジスタは、第１導電型のトランジスタと呼ばれることがあり、ＮチャネルＭＯＳトランジスタは、第２導電型のトランジスタと呼ばれることがある。スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、ＭＯＳトランジスタ等により構成される。スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、例えば、半導体装置の外部の制御装置からの制御信号によりオン又はオフに制御される。
【００１５】
トランジスタＮＭ１のドレインは定電流源ＩＳに接続されている。トランジスタＮＭ１のドレインと定電流源ＩＳとの接続ノードは、トランジスタＮＭ１、ＮＭ２のゲート及びスイッチＳ２、Ｓ３の一方の端子に接続されている。トランジスタＮＭ１のソース及びトランジスタＮＭ２のソースは、接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ２のドレインは、トランジスタＰＭ１のドレイン及びゲートに接続されている。トランジスタＰＭ１のソースは、電源電位線に接続されている。トランジスタＮＭ１及びトランジスタＮＭ２は、カレントミラー回路を構成している。したがって、定電流源ＩＳからトランジスタＮＭ１に流れる電流は、カレントミラー回路によって複製される。複製された電流は、トランジスタＰＭ１の主電極間及びトランジスタＮＭ２の主電極間を流れる。
【００１６】
トランジスタＰＭ１のゲートは、スイッチＳ１の一方の端子に接続されている。スイッチＳ１の他方の端子は、トランジスタＰＭ２（第１トランジスタ）のゲート及びキャパシタＣ１の一方の端子に接続されている。キャパシタＣ１の他方の端子及びトランジスタＰＭ２のソースは、電源電位線に接続されている。トランジスタＰＭ２のドレインは、トランジスタＮＭ３のドレイン及びゲート、並びにトランジスタＮＭ５、ＮＭ７のゲートに接続されている。トランジスタＮＭ３、ＮＭ５、ＮＭ７のソースは接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ３（第３トランジスタ）と、トランジスタＮＭ５（第４トランジスタ）と、トランジスタＮＭ７とはカレントミラー回路を構成している。したがって、トランジスタＮＭ３の主電極間を流れる電流は、カレントミラー回路によってトランジスタＮＭ５とトランジスタＮＭ７のそれぞれに対して複製される。複製された電流は、トランジスタＮＭ５の主電極間及びトランジスタＮＭ７の主電極間を流れる。
【００１７】
スイッチＳ２の他方の端子は、トランジスタＮＭ４（第２トランジスタ）のゲート及びキャパシタＣ２の一方の端子に接続されている。トランジスタＮＭ４のソース及びキャパシタＣ２の他方の端子は、接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ５のソースは、接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ４のドレインとトランジスタＮＭ５のドレインとは、ノードＮ１において接続されている。
【００１８】
スイッチＳ３の他方の端子は、トランジスタＮＭ６のゲート及びキャパシタＣ３の一方の端子に接続されている。トランジスタＮＭ６のソース及びキャパシタＣ３の他方の端子は、接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ７のソースは、接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ６のドレインとトランジスタＮＭ７のドレインとは、ノードＮ２において接続されている。
【００１９】
スイッチＳ１及びキャパシタＣ１は、トランジスタＰＭ２のゲート電圧を保持するサンプルホールド回路（第１サンプルホールド回路）を構成している。スイッチＳ２及びキャパシタＣ２は、トランジスタＮＭ４のゲート電圧を保持するサンプルホールド回路（第２サンプルホールド回路）を構成している。スイッチＳ３及びキャパシタＣ３は、トランジスタＮＭ６のゲート電圧を保持するサンプルホールド回路を構成している。
【００２０】
本実施形態の半導体装置は、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３がいずれもオンであるサンプリング状態と、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３がいずれもオフであるホールド状態とにより動作可能である。ホールド状態においては、サンプリング状態のときのゲート電圧がキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３に保持されている。
【００２１】
まず、サンプリング状態における半導体装置の動作について説明する。サンプリング状態においては、スイッチＳ１がオンであるため、トランジスタＰＭ１のゲート、トランジスタＰＭ１のドレイン及びトランジスタＰＭ２のゲートが接続される。これにより、トランジスタＰＭ１及びトランジスタＰＭ２は、カレントミラー回路を構成する。したがって、トランジスタＰＭ１の主電極間を流れる電流は、カレントミラー回路によって複製される。複製された電流は、トランジスタＰＭ２の主電極間及びトランジスタＮＭ３の主電極間を流れる。
【００２２】
また、サンプリング状態においては、スイッチＳ２、Ｓ３もオンである。そのため、トランジスタＮＭ１、ＮＭ４、ＮＭ６のゲート及びトランジスタＮＭ１のドレインが接続される。これにより、トランジスタＮＭ１と、トランジスタＮＭ４と、トランジスタＮＭ６とは、カレントミラー回路を構成する。したがって、トランジスタＮＭ１の主電極間を流れる電流は、カレントミラー回路によって複製される。複製された電流は、トランジスタＮＭ４の主電極間及びトランジスタＮＭ６の主電極間をそれぞれ流れる。
【００２３】
サンプリング状態においてキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３に対応するトランジスタのゲート電圧が充電されたあと、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３はいずれもオフになる。これにより、半導体装置は、ホールド状態に移行する。このとき、トランジスタＰＭ２、ＮＭ４、ＮＭ６の主電極間には、それぞれ、サンプリング状態においてキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３に保持されたゲート電圧に応じた電流が流れる。
【００２４】
ノードＮ１に流れ込む電流をＩ１（第３電流）、トランジスタＮＭ４の主電極間を流れる電流をＩ１ａ（第２電流）、トランジスタＮＭ５の主電極間を流れる電流をＩ１ｂ（第１電流）とすると、これらの電流間には式（１）の関係がある。
Ｉ１＝Ｉ１ａ＋Ｉ１ｂ      （１）
【００２５】
また、ノードＮ２に流れ込む電流をＩ２、トランジスタＮＭ６の主電極間を流れる電流をＩ２ａ、トランジスタＮＭ７の主電極間を流れる電流をＩ２ｂとすると、これらの電流間には式（２）の関係がある。
Ｉ２＝Ｉ２ａ＋Ｉ２ｂ      （２）
【００２６】
ノードＮ１、Ｎ２は、半導体装置の外部の回路に接続されている。言い換えると、ノードＮ１、Ｎ２は、外部の回路に電流Ｉ１、Ｉ２をそれぞれ供給するよう構成された、電流供給部１４１、１４２の出力端子である。このように、本実施形態の半導体装置は、複数の電流を出力可能である。例えば、本実施形態の半導体装置が撮像装置の読み出し回路である場合には、ノードＮ１、Ｎ２は、撮像装置内の画素の出力端子に接続される。
【００２７】
本実施形態の半導体装置の効果について説明する。半導体装置が形成されている半導体基板に外力が印加されると、半導体装置に形成されているトランジスタの特性が変化する場合がある。この特性変化の原因として、電子移動度又は正孔移動度の変化が挙げられる。
【００２８】
あるトランジスタが飽和状態である場合、そのトランジスタの主電極間を流れる電流Ｉの一時近似は、移動度をμ、ゲート電圧をＶｇ、しきい値電圧をＶｔｈ、ゲート容量をＣｏｘ、チャネル長をＬ、チャネル幅をＷとしたとき、式（３）で表される。
Ｉ＝（μ・Ｃｏｘ／２）・（Ｗ／Ｌ）・（Ｖｇ−Ｖｔｈ）＾２      （３）
【００２９】
式（３）より、ゲート電圧Ｖｇが一定であれば、半導体装置に外力が印加されて移動度μが変化したとき、電流Ｉは移動度μの変化量に比例して変化することがわかる。なお、式（３）における移動度μは、ＰチャネルＭＯＳトランジスタの場合は正孔移動度μｐを意味し、ＮチャネルＭＯＳトランジスタの場合は電子移動度μｎを意味する。ＰチャネルＭＯＳトランジスタとＮチャネルＭＯＳトランジスタが同じ外力を受けた場合には、応力に対する特性変化の傾向が逆である。これは、外力に対する正孔移動度μｐの変化と電子移動度μｎの変化が逆方向であるためと考えられる。
【００３０】
ホールド状態においてトランジスタＮＭ４のゲートには、キャパシタＣ２に保持された電圧が印加されている。すなわち、トランジスタＮＭ４のゲートには一定の電圧が印加されている。このとき、外力によって電子移動度μｎが＋１％だけ変化したとすると、トランジスタＮＭ４の主電極間を流れる電流Ｉ１ａは＋１％だけ変化する。
【００３１】
また、ホールド状態においてトランジスタＰＭ２のゲートには、キャパシタＣ１に保持された電圧が印加されている。すなわち、トランジスタＰＭ２のゲートには一定の電圧が印加されている。このとき、トランジスタＰＭ２がトランジスタＮＭ４と同程度の外力を受けると、正孔移動度μｐの変化の符号は、電子移動度μｎの変化の符号とは逆になる。外力により正孔移動度μｐが−１％だけ変化したとすると、トランジスタＮＭ４の主電極間を流れる電流は−１％だけ変化する。トランジスタＰＭ２の主電極間を流れる電流は、カレントミラー回路によりトランジスタＮＭ５に複製される。そのため、トランジスタＮＭ５の主電極間を流れる電流Ｉ１ｂは−１％だけ変化する。
【００３２】
式（１）より、電流供給部１４１から外部に供給される電流Ｉ１は、トランジスタＮＭ４の主電極間を流れる電流Ｉ１ａとトランジスタＮＭ５の主電極間を流れる電流Ｉ１ｂを加算したものである。上述のように、外力が印加されたときの電流Ｉ１ａの変化と電流Ｉ１ｂは逆符号になるため、外力による電流の変化は相殺される。これにより、半導体装置に印加される外力による供給電流の変化が低減される。以上により、本実施形態によれば、外力に起因する特性変化が低減された半導体装置が提供される。
【００３３】
半導体基板に外力が印加されたときの各トランジスタへの影響が同等であれば、電流の変化を相殺する効果がより向上する。そのため、トランジスタＰＭ２、ＮＭ４、ＮＭ５に印加される外力が同程度となるように配置されていることが好ましい。具体的には、トランジスタＰＭ２、ＮＭ４、ＮＭ５が半導体基板内の近い位置に配置されていることが好ましい。また、トランジスタＰＭ２、ＮＭ４、ＮＭ５のチャネルの方向が同一であることが好ましい。
【００３４】
電流供給部１４１から供給される電流Ｉ１について外力の影響が低減されることを説明したが、電流供給部１４２から供給される電流Ｉ２についても同様である。また、電流供給部が３個以上設けられている場合にも、各電流供給部について同様に外力の影響が低減される。
【００３５】
［第２実施形態］
第２実施形態に係る半導体装置の構成を説明する。本実施形態は、第１実施形態の半導体装置の回路構成を変形したものである。以下では、第１実施形態と重複する説明については適宜省略することがある。
【００３６】
図２は、第２実施形態に係る半導体装置の構成を示す回路図である。半導体装置は、バイアス生成部２１０、基準電流生成部２２０及び電流供給部２４１、２４２を有する。これらの各部は、半導体基板に形成される。
【００３７】
本実施形態においては第１実施形態の半導体装置と比べて、トランジスタＰＭ１、ＮＭ２が省略されており、スイッチＳ４、Ｓ５、Ｓ６が追加されている。バイアス生成部２１０は、トランジスタＮＭ１及び定電流源ＩＳを有する。基準電流生成部２２０は、トランジスタＰＭ２、ＮＭ３、キャパシタＣ１及びスイッチＳ１、Ｓ４を有する。電流供給部２４１は、トランジスタＮＭ４、ＮＭ５、キャパシタＣ２及びスイッチＳ２、Ｓ５を有する。電流供給部２４２は、トランジスタＮＭ６、ＮＭ７、キャパシタＣ３及びスイッチＳ３、Ｓ６を有する。
【００３８】
トランジスタＮＭ１のドレインは定電流源ＩＳに接続されている。トランジスタＮＭ１のドレインと定電流源ＩＳとの接続ノードは、トランジスタＮＭ１のゲート及びスイッチＳ２、Ｓ３の一方の端子に接続されている。トランジスタＮＭ１のソースは、接地電位線に接続されている。
【００３９】
トランジスタＰＭ２のドレインは、スイッチＳ１、Ｓ４の一方の端子及びトランジスタＮＭ３のドレインに接続されている。トランジスタＰＭ２のゲートは、スイッチＳ１の他方の端子及びキャパシタＣ１の一方の端子に接続されている。キャパシタＣ１の他方の端子及びトランジスタＰＭ２のソースは、電源電位線に接続されている。トランジスタＮＭ３のソースは接地電位線に接続されている。スイッチＳ４の他方の端子は、トランジスタＮＭ３、ＮＭ５、ＮＭ７のゲート及びスイッチＳ５、Ｓ６の一方の端子に接続されている。
【００４０】
スイッチＳ２の他方の端子は、スイッチＳ５の他方の端子、トランジスタＮＭ４のゲート及びキャパシタＣ２の一方の端子に接続されている。トランジスタＮＭ４のソース及びキャパシタＣ２の他方の端子は、接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ５のソースは、接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ４のドレインとトランジスタＮＭ５のドレインとは、ノードＮ１において接続されている。
【００４１】
スイッチＳ３の他方の端子は、スイッチＳ６の他方の端子、トランジスタＮＭ６のゲート及びキャパシタＣ３の一方の端子に接続されている。トランジスタＮＭ６のソース及びキャパシタＣ３の他方の端子は、接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ７のソースは、接地電位線に接続されている。トランジスタＮＭ６のドレインとトランジスタＮＭ７のドレインとは、ノードＮ２において接続されている。
【００４２】
本実施形態の半導体装置は、第１実施形態と同様にサンプリング状態とホールド状態とにより動作可能である。半導体装置は、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６がいずれもオンであり、スイッチＳ４がオフである場合にサンプリング状態となる。また、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６がいずれもオフであり、スイッチＳ４がオンである場合にホールド状態となる。
【００４３】
まず、サンプリング状態における半導体装置の動作について説明する。サンプリング状態においては、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６がオンであり、スイッチＳ４がオフである。そのため、トランジスタＮＭ１、ＮＭ３、ＮＭ４、ＮＭ５、ＮＭ６、ＮＭ７のゲート及びトランジスタＮＭ１のドレインが接続される。これにより、トランジスタＮＭ１、ＮＭ３、ＮＭ４、ＮＭ５、ＮＭ６、ＮＭ７は、カレントミラー回路を構成する。したがって、トランジスタＮＭ１の主電極間を流れる電流は、カレントミラー回路によって複製される。複製された電流は、トランジスタＮＭ３、ＮＭ４、ＮＭ５、ＮＭ６、ＮＭ７の主電極間をそれぞれ流れる。
【００４４】
また、サンプリング状態においては、スイッチＳ１がオンであるため、トランジスタＰＭ２のドレインとトランジスタＰＭ２のゲートとが接続される。このとき、スイッチＳ４はオフであるため、トランジスタＰＭ２の主電極間を流れる電流は、トランジスタＮＭ３の主電極間を流れる電流と一致する。
【００４５】
サンプリング状態においてキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３に対応するトランジスタのゲート電圧が充電されたあと、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６がいずれもオフになり、スイッチＳ４がオンになる。これにより、半導体装置は、ホールド状態に移行する。このとき、トランジスタＰＭ２、ＮＭ４、ＮＭ６の主電極間には、それぞれ、サンプリング状態においてキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３に保持されたゲート電圧に応じた電流が流れる。また、トランジスタＮＭ３、ＮＭ５、ＮＭ７はカレントミラー回路を構成する。
【００４６】
ホールド状態において、第１実施形態と同様のメカニズムにより、半導体装置に印加される外力による供給電流の変化が低減される。したがって、本実施形態においても、外力に起因する特性変化が低減された半導体装置が提供される。
【００４７】
［第３実施形態］
第３実施形態に係る撮像装置の構成を説明する。本実施形態は、第１実施形態の半導体装置を電流源回路として用いたものである。以下では、第１実施形態と重複する説明については適宜省略することがある。なお、本実施形態で述べる撮像装置は光電変換装置の一例であり、撮像装置以外の光電変換装置にも第１実施形態の半導体装置は同様に適用可能である。撮像装置以外の光電変換装置の例としては、測距装置が挙げられる。
【００４８】
図３は、本実施形態に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。撮像装置は、画素アレイ２０、垂直走査回路３０、列増幅回路４０、水平走査回路５０、制御回路６０及び出力回路７０を有する。また、撮像装置は、第１実施形態で述べた半導体装置である電流源回路１００を有する。電流源回路１００は、バイアス生成部１１０、基準電流生成部１２０及び電流供給部１４１、１４２を有する。更に、撮像装置は、電流供給部１４１、１４２と同様の構成を有する電流供給部１４３を有する。これらの回路は、１又は２以上の半導体基板に形成され得る。なお、図３では、画素アレイ２０のうちの３列のみが例示的に図示されているため、電流供給部も３個のみが図示されているが、電流供給部は、画素アレイ２０の各列に対応して設けられ得るものであるため、３個に限定されない。
【００４９】
画素アレイ２０は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素１０を有する。垂直走査回路３０は、画素１０に含まれるトランジスタをオン又はオフに制御するための制御信号を画素１０の各行に対応して設けられた制御信号線６を介して供給する走査回路である。ここで、複数の画素１０の各々に供給される制御信号は複数の種類の制御信号を含み得るため、各行の制御信号線６は複数の駆動配線の組として構成され得る。更に、撮像装置には画素１０の各列に対応して列信号線５が設けられており、画素１０からの信号が列ごとに列信号線５に読み出される。
【００５０】
各列の列信号線５には、複数の電流供給部１４１、１４２、１４３の１つが接続される。電流供給部１４１、１４２、１４３は、対応する列の列信号線５に電流を供給する。基準電流生成部１２０及び電流供給部１４１、１４２、１４３には、制御回路６０から制御信号φ１が入力される。制御信号φ１は、図１に示されている複数のスイッチをオン又はオフに制御することにより、サンプリング状態とホールド状態とを切り替える。
【００５１】
列増幅回路４０は、列信号線５に出力された信号に対し、増幅、相関二重サンプリング処理等の処理を行う。水平走査回路５０は、列増幅回路４０から各列に対応する信号を出力回路７０に順次出力させるための制御信号を供給する。この制御信号は、列増幅回路４０内に設けられているスイッチをオン又はオフに制御する。出力回路７０はバッファアンプ、差動増幅器等から構成され、列増幅回路４０からの信号を撮像装置の外部の信号処理部に出力する。なお、撮像装置が、ＡＤ変換部を更に有していてもよく、その場合、撮像装置は、デジタル信号を出力し得る。例えば、列増幅回路４０はＡＤ変換部を含み得る。また、出力回路７０がＡＤ変換部を含む構成であってもよい。制御回路６０は、垂直走査回路３０、列増幅回路４０、水平走査回路５０の動作タイミング等を制御するとともに、制御信号φ１を出力する。
【００５２】
図４は、画素１０の回路構成を示す回路図である。画素１０は、光電変換素子ＰＤ、転送トランジスタＭ１、リセットトランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３及び選択トランジスタＭ４を有する。これらのトランジスタはＮチャネルＭＯＳトランジスタであり得る。転送トランジスタＭ１のゲートには、垂直走査回路３０から制御信号ＰＴＸが入力される。リセットトランジスタＭ２のゲートには、垂直走査回路３０から制御信号ＰＲＥＳが入力される。選択トランジスタＭ４のゲートには、垂直走査回路３０から制御信号ＰＳＥＬが入力される。
【００５３】
光電変換素子ＰＤは、光電変換により入射光に応じた電荷を生成するとともに、当該電荷を蓄積する。光電変換素子ＰＤは、フォトダイオードであり得る。以下の説明では、光電変換素子ＰＤはアノード及びカソードを有するフォトダイオードであるものとする。光電変換素子ＰＤのアノードは、接地電位線に接続されている。光電変換素子ＰＤのカソードは、転送トランジスタＭ１のソースに接続されている。
【００５４】
転送トランジスタＭ１のドレイン、リセットトランジスタＭ２のソース及び増幅トランジスタＭ３のゲートの接続ノードはフローティングディフュージョンＦＤを構成する。リセットトランジスタＭ２のドレイン及び増幅トランジスタＭ３のドレインは、電源電位線に接続されている。増幅トランジスタＭ３のソースは、選択トランジスタＭ４のドレインに接続されている。選択トランジスタＭ４のソースは、列信号線５に接続されている。列信号線５には、電流供給部１４１（あるいは、電流供給部１４２、１４３）が接続される。選択トランジスタＭ４がオンになると、増幅トランジスタＭ３と電流供給部１４１はソースフォロワ回路を構成し、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた電圧が列信号線５に出力される。
【００５５】
図５は、第３実施形態に係る撮像装置の動作を示すタイミング図である。図５は、ある１行の画素１０からの信号の読み出しにおける各制御信号のレベルを示している。各トランジスタは、各制御信号のレベルがハイレベルのときにオンになり、ローレベルのときにオフになるものとする。また、電流源回路１００は、制御信号φ１がハイレベルのときにサンプリング状態になり、ローレベルのときにホールド状態になるものとする。
【００５６】
時刻ｔ１において、制御信号φ１、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬがハイレベルになる。これにより、リセットトランジスタＭ２及び選択トランジスタＭ４がオンになり、列信号線５にはフローティングディフュージョンＦＤのリセット状態における電位（Ｎ信号）が出力される。また、電流源回路１００はサンプリング状態になり、電流を生成するトランジスタのゲート電圧と同じ電圧がキャパシタに印加される。
【００５７】
時刻ｔ２において、制御信号φ１がローレベルになり、電流源回路１００がホールド状態に移行し、サンプリング状態のときに印加されていたゲート電圧がキャパシタに保持される。
【００５８】
時刻ｔ３において、制御信号ＰＲＥＳがローレベルになり、リセットトランジスタＭ２がオフになる。これにより、フローティングディフュージョンＦＤのリセット状態が解除される。時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間の間に、Ｎ信号の読み出しが行われる。
【００５９】
時刻ｔ４において、制御信号ＰＴＸがハイレベルになり、転送トランジスタＭ１がオンになる。その後、時刻ｔ５において制御信号ＰＴＸがローレベルになり、転送トランジスタＭ１がオフになる。これらの動作により、光電変換素子ＰＤに蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。フローティングディフュージョンＦＤの電位はこの電荷に応じた電位に変化する。列信号線５にはフローティングディフュージョンＦＤに転送された電荷に応じた電位（Ｓ信号）が出力される。その後、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間の間に、Ｓ信号の読み出しが行われる。
【００６０】
時刻ｔ６において、制御信号ＰＳＥＬがローレベルになり、選択トランジスタＭ４がオフになる。これにより、当該行の画素１０からの読み出しが終了する。列増幅回路４０内のＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路又は撮像装置の外部の信号処理回路等は、この処理により読み出されたＳ信号とＮ信号に対してＣＤＳ処理を行い、画像信号を生成する。
【００６１】
上述のように、Ｎ信号とＳ信号の読み出しが行われる期間において、電流源回路１００はホールド状態になっている。ホールド状態においては、第１実施形態で述べたように、電流源回路１００からの供給電流の外力に起因する変化が低減されている。したがって、本実施形態によれば、より高精度に信号を取得することができる撮像装置が提供される。
【００６２】
なお、本実施形態では電流源回路１００には第１実施形態の半導体装置が用いられるものとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、電流源回路１００には第２実施形態の半導体装置が用いられてもよく、第１実施形態及び第２実施形態以外の回路構成が用いられてもよい。また、画素アレイ２０の構造は図示したものに限定されるものではなく、例えば画素１０が１次元状に配列されたものであってもよい。
【００６３】
［第３実施形態の変形例］
上述の第３実施形態の説明では、電流源回路１００内に１つの基準電流生成部１２０が設けられているが、基準電流生成部１２０の個数は複数であってもよい。基準電流生成部１２０の個数が複数である場合の変形例を図６に示す。本変形例の電流源回路１００は、１つの基準電流生成部１２０が複数の電流供給部１４１、１４２に電流を供給する構成となっている回路群を複数個有している。基準電流生成部１２０の個数は２に限定されない。基準電流生成部１２０の個数がｎ個であり、電流供給部１４１、１４２の個数がｍ個であるものとする（ｎ、ｍは自然数）。このとき、１＜ｎ≦ｍの関係を満たしていればよい。
【００６４】
本変形例では、電流供給部１４１、１４２の個数が多い場合であっても、基準電流生成部１２０と電流供給部１４１、１４２の距離を半導体基板内の近い位置に配置することができるため、外力に起因する供給電流の変化をより低減することができる。典型的には、上述のｍとｎの比ｍ／ｎは、１０程度であり得る。
【００６５】
［第４実施形態］
次に、上述の実施形態による撮像装置を適用した装置の例を説明する。図７は、本実施形態による撮像システム９００の構成を示すブロック図である。図７に示す撮像装置９３０は、上述の第３実施形態で述べた撮像装置である。撮像装置が適用可能な撮像システム９００としては、例えば、デジタルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラなどが挙げられる。図７に、上述の実施形態に記載の撮像装置を適用したデジタルカメラの構成例を示す。
【００６６】
図７に例示した撮像システム９００は、撮像装置９３０、被写体の光学像を撮像装置９３０に結像させるレンズ９０２、レンズ９０２を通過する光量を可変にするための絞り９０４、レンズ９０２の保護のためのバリア９０６を有する。レンズ９０２及び絞り９０４は、撮像装置９３０に光を集光する光学系である。
【００６７】
撮像システム９００は、また、撮像装置９３０から出力される出力信号の処理を行う信号処理部９０８を有する。信号処理部９０８は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。
【００６８】
撮像システム９００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部９１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）９１２を有する。更に撮像システム９００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体９１４、記録媒体９１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）９１６を有する。なお、記録媒体９１４は、撮像システム９００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
【００６９】
更に撮像システム９００は、各種演算を行うとともにデジタルカメラ全体を制御する全体制御・演算部９１８、撮像装置９３０と信号処理部９０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部９２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム９００は、少なくとも撮像装置９３０と、撮像装置９３０から出力された出力信号を処理する信号処理部９０８とを有すればよい。全体制御・演算部９１８及びタイミング発生部９２０は、上述の実施形態における制御信号の生成、参照電圧の生成等の光電変換装置の制御に関する機能の一部又は全部を実行するように構成してもよい。
【００７０】
撮像装置９３０は、画像用信号を信号処理部９０８に出力する。信号処理部９０８は、撮像装置９３０から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部９０８は、画像用信号を用いて、画像を生成する。
【００７１】
以上のように、本実施形態の撮像システム９００は、第３実施形態による撮像装置９３０を含む。これにより、より高品質な撮像が可能な撮像システム９００を実現することができる。
【００７２】
［第５実施形態］
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、本実施形態による撮像システム１０００及び移動体の構成を示す図である。図８（Ａ）は、車載カメラに関する撮像システム１０００の一例を示したものである。撮像システム１０００は、上述の第３実施形態に記載の撮像装置を有する。
【００７３】
撮像システム１０００は、撮像装置１０１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部１０３０を有する。また、撮像システム１０００は、撮像装置１０１０により取得された複数の画像データから視差情報（視差画像の位相差等）の算出を行う視差取得部１０４０を有する。また、撮像システム１０００は、算出された視差情報に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部１０５０と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部１０６０と、を有する。ここで、視差取得部１０４０や距離取得部１０５０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部１０６０はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。なお、上述の視差の算出は、撮像装置１０１０内の複数の電極から読み出された信号を用いて行われる。
【００７４】
撮像システム１０００は、車両情報取得装置１３１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム１０００には、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ１４１０が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ１４１０は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置１４２０とも接続されている。例えば、衝突判定部１０６０の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ１４１０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１４２０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
【００７５】
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム１０００で撮像する。図８（Ｂ）に、車両前方（撮像範囲１５１０）を撮像する場合の撮像システム１０００を示した。車両情報取得装置１３１０は、撮像システム１０００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。第３実施形態による撮像装置１０１０を含む本実施形態の撮像システム１０００は、測距の精度をより向上させることができる。
【００７６】
以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
【００７７】
［その他の実施形態］
なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を、他の実施形態に追加した実施形態、あるいは他の実施形態の一部の構成と置換した実施形態も本発明を適用し得る実施形態であると理解されるべきである。
【００７８】
なお、第３実施形態の撮像装置の構成は光電変換装置により一般的に適用され得るものであるため、上述の第４実施形態及び第５実施形態の撮像システムもより一般的に光電変換システムに拡張可能である。すなわち、第４実施形態及び第５実施形態の技術思想は、撮像装置を用いる撮像システムに限定されるものではない。例えば、光電変換装置が測距装置である場合は、当該光電変換システムは測距システムであり得る。
【００７９】
上述の実施形態において、回路構成等は適宜変更可能である。例えば、ＰチャネルＭＯＳトランジスタとＮチャネルＭＯＳトランジスタの導電型が逆になるように回路構成を変形してもよい。
【００８０】
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【００８１】
Ｎ１、Ｎ２      ノード
ＮＭ１−ＮＭ７  （ＮチャネルＭＯＳ）トランジスタ
ＰＭ１−ＰＭ２  （ＰチャネルＭＯＳ）トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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