(57)【要約】【課題】カップリングによるＦＤの電圧変動の影響を低減することができ、動作の高速化やＰＤの露光期間の可変化にも対応できる固体撮像素子を提供する。【解決手段】固体撮像素子の駆動部は、画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、現フレームの撮像において、直前フレームにおいて浮遊拡散領域が所定の電圧にリセットされた状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出し、信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する。【選択図】  図１１
2018011272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素がマトリクス状に配列されて成る画素アレイ部、及び、
画素アレイ部を駆動する駆動部、
を有しており、
駆動部は、
画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域が所定の電圧にリセットされた状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、
次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出し、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する、
固体撮像素子。
【請求項２】
画素を制御する制御線には、撮像フレームに関わらず同じタイミングで変化する制御信号が供給される、
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
ゲート電極に浮遊拡散領域の電圧が印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
画素を制御する制御線は、初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタのそれぞれに対応して設けられており、
転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタの導通／非導通は、直前フレームと現フレームとにおいて同じタイミングで制御される、
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
画素を制御する制御線には、撮像フレームに応じてタイミングが可変可能な制御信号が供給され、
駆動部は、有効な画素信号を読み出す際に、読み出し行として選択された画素行の制御線が毎フレーム全行同じ極性になるよう制御するための回路を備えている、
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
画素を制御する制御線には、光電変換部での信号電荷の蓄積を行う露光期間が可変可能な制御信号が供給される、
請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
浮遊拡散領域の電圧がゲート電極に印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
駆動部は、
光電変換部の初期化の開始から光電変換部での信号電荷の蓄積を開始するまでの期間の間に読出し対象となる画素行の選択トランジスタが導通状態となる場合に、当該画素行において、選択トランジスタが導通状態となるときに初期化トランジスタが非導通状態となるように初期化トランジスタを制御するための回路を備えている、
請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素がマトリクス状に配列されて成る画素アレイ部を有している固体撮像素子の駆動方法であって、
画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出す工程、及び、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する工程、
を含む、
固体撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
画素を制御する制御線に、撮像フレームに関わらず同じタイミングで変化する制御信号を供給する、
請求項７に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項９】
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
ゲート電極に浮遊拡散領域の電圧が印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
画素を制御する制御線は、初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタのそれぞれに対応して設けられており、
初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタの導通／非導通を、直前フレームと現フレームとにおいて同じタイミングで制御する、
請求項８に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１０】
画素を制御する制御線に、撮像フレームに応じてタイミングが可変可能な制御信号を供給し、
有効な画素信号を読み出す際に、読み出し行として選択された画素行の制御線が毎フレーム全行同じ極性になるよう制御する、
請求項７に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１１】
画素を制御する制御線に、光電変換部での信号電荷の蓄積を行う露光期間が可変可能な制御信号を供給する、
請求項１０に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１２】
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
浮遊拡散領域の電圧がゲート電極に印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
光電変換部の初期化の開始から光電変換部での信号電荷の蓄積を開始するまでの期間の間に読出し対象となる画素行の選択トランジスタが導通状態となる場合に、当該画素行において、選択トランジスタが導通状態となるときに初期化トランジスタが非導通状態となるように初期化トランジスタを制御する、
請求項１１に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１３】
光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素がマトリクス状に配列されて成る画素アレイ部、及び、
画素アレイ部を駆動する駆動部、
を有しており、
駆動部は、
画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域が所定の電圧にリセットされた状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、
次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出し、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する、
固体撮像素子を備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像素子、及び、固体撮像素子の駆動方法、並びに、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルビデオカメラ等の撮像機能を備えた電子機器において、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子は、フォトダイオード（Photo Diode：ＰＤ）などから成る光電変換部、光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域（Floating Diffusion region：ＦＤ）、及び、複数のトランジスタなどが組み合わされて成る画素を有している。そして、二次元マトリクス状に配置された複数の画素から出力される信号に基づいて画像が構築される。画素から出力される信号は、例えば、画素の列ごとに配置された複数のＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換器によって並列的にＡ／Ｄ変換され、デジタル信号として出力される。
【０００３】
固体撮像素子を動作させる際に、画素の動作を制御する制御線と浮遊拡散領域との間にはカップリングが生ずる。画素からの信号を（リセットレベル、信号レベル）の順で読み出し、相関２重サンプリング（Correlated Double Sampling：ＣＤＳ)によって信号処理を行う構成の固体撮像素子にあっては、光電変換部から浮遊拡散領域への電荷転送の直前に浮遊拡散領域がリセットされるため、通常、制御線と浮遊拡散領域との間のカップリングは画質に影響を与えない。一方、画素からの信号を（信号レベル、リセットレベル）の順で読み出し、２重サンプリング（Double Data Sampling：ＤＤＳ)によって信号処理を行う構成の固体撮像素子にあっては、信号レベルが制御線と浮遊拡散領域との間のカップリングの影響を受ける。このため、ＤＤＳによって信号処理を行う構成において、カップリングによる浮遊拡散領域の電圧変動の影響を低減するといった技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２１６９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術にあっては、浮遊拡散領域のリセット動作の前と後とでカップリングの影響が相殺するように制御線を駆動する。しかしながら、この動作では、制御線の駆動に要する期間は長くなる。従って、動作の高速化を図るといった点に対して妨げとなる。また、フレームとフレームとの間で光電変換部の露光期間が変化するといった構成では、カップリングによる浮遊拡散領域の電圧変動の影響が残るといった問題がある。
【０００６】
そこで、本開示は、カップリングによる浮遊拡散領域の電圧変動の影響を低減することができ、動作の高速化、更には、光電変換部における露光期間の可変化にも対応できる固体撮像素子、及び、固体撮像素子の駆動方法、並びに、固体撮像素子を有する電子機器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】
上記の目的を達成するための本開示に係る固体撮像素子は、
光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素がマトリクス状に配列されて成る画素アレイ部、及び、
画素アレイ部を駆動する駆動部、
を有しており、
駆動部は、
画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域が所定の電圧にリセットされた状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、
次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出し、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する、
固体撮像素子である。
【０００８】
上記の目的を達成するための本開示に係る固体撮像素子の駆動方法は、
光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素がマトリクス状に配列されて成る画素アレイ部を有している固体撮像素子の駆動方法であって、
画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出す工程、及び、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する工程、
を含む、
固体撮像素子の駆動方法である。
【０００９】
上記の目的を達成するための本開示の電子機器は、
光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素がマトリクス状に配列されて成る画素アレイ部、及び、
画素アレイ部を駆動する駆動部、
を有しており、
駆動部は、
画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域が所定の電圧にリセットされた状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、
次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出し、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する、
固体撮像素子を備えた電子機器である。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、カップリングによる浮遊拡散領域の電圧変動の影響を低減しつつ動作の高速化を図ることができる。また、フレームとフレームとの間で光電変換部の露光期間が変化するといった場合であっても、カップリングによる浮遊拡散領域の電圧変動の影響を低減することができる。
【００１１】
尚、ここに記載された効果に必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であってもよい。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、これに限定されるものではなく、また付加的な効果があってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本開示が適用される固体撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサの構成を説明するための模式図である。
【図２】図２は、第１の参考例に係る画素を説明するための模式的な回路図である。
【図３】図３は、第１の参考例に係る固体撮像素子の基本的な動作を説明するための、模式的なタイミングチャートである。
【図４】図４は、制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わるときの影響を考慮したときの、模式的なタイミングチャートである。
【図５】図５は、本開示の固体撮像素子に用いられるＦＤ蓄積型画素を説明するための模式的な回路図である。
【図６】図６は、第２の参考例の基本的な動作を説明するための図であって、本開示の固体撮像素子に用いられるＦＤ蓄積型画素を用いて一般的なグローバル露光の動作をするときの、模式的なタイミングチャートである。
【図７】図７は、制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わるときの影響を考慮したときの、模式的なタイミングチャートである。
【図８】図８は、特許文献１に開示された画素を説明するための模式的な回路図である。
【図９】図９は、特許文献１に開示された画素を用いて一般的なグローバル露光の動作をするときの、模式的なタイミングチャートである。
【図１０】図１０は、制御線ＳＥＬと浮遊拡散領域のカップリングによる影響を低減することができる動作を説明するための、模式的なタイミングチャートである。
【図１１】図１１は、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子を説明するための、動作の概念図である。
【図１２】図１２は、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子の動作において、制御線ＳＥＬと浮遊拡散領域のカップリングを反映した状態の模式的なタイミングチャートである。
【図１３】図１３は、本開示の固体撮像素子に用いられる画素において、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域のカップリングを説明するための、模式的な回路図である。
【図１４】図１４は、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子において、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域のカップリングを反映した状態の模式的なタイミングチャートである。
【図１５】図１５は、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子において、露光時間を可変とした場合の動作の概念図である。
【図１６】図１６は、露光時間を可変とした場合の課題を説明するための、模式的なタイミングチャートである。
【図１７】図１７は、本開示の第２の実施形態に係る固体撮像素子において、各行の制御線ＯＦＧに供給される信号を説明するための、模式的なタイミングチャートである。
【図１８】図１８は、本開示の第２の実施形態に係る固体撮像素子の動作において、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域のカップリングを反映した状態の模式的なタイミングチャートである。
【図１９】図１９は、露光時間を可変としたときに、一部期間において空読みをする場合の動作の模式図である。
【図２０】図２０は、各行の制御線ＯＦＧに供給される信号を説明するための、模式的なタイミングチャートである。
【図２１】図２１は、一括制御回路を共通に設けた垂直駆動部の構造を説明するための、模式的なブロック図である。
【図２２】図２２は、一括制御回路を各行に対応して個別に設けた垂直駆動部の構造を説明するための、模式的なブロック図である。
【図２３】図２３は、第３の実施形態に関する固体撮像素子の動作の模式図である。
【図２４】図２４は、第３の実施形態を説明するための模式的なタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、実施形態に基づいて本開示を説明する。本開示は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値や材料などは例示である。以下の説明において、同一要素または同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示に係る、固体撮像素子、及び、固体撮像素子の駆動方法、並びに、電子機器、全般に関する説明
２．第１の実施形態
２−１．システム構成
２−２．メモリ蓄積型画素とＦＤ蓄積型画素との説明
２−３．特許文献１に開示された動作の説明および課題
２−４．第１の実施形態の動作の説明
３．第２の実施形態
３−１．露光期間の可変動作および課題
３−２．第２の実施形態の動作の説明
４．第３の実施形態
５．その他
【００１４】
［本開示に係る、固体撮像素子、及び、固体撮像素子の駆動方法、並びに、電子機器、全般に関する説明］
本開示に係る、固体撮像素子、及び、固体撮像素子の駆動方法に用いられる固体撮像素子、並びに、電子機器に用いられる固体撮像素子（以下、これらを単に、本開示の固体撮像素子と呼ぶ場合がある）において、画素を制御する制御線には、撮像フレームに関わらず同じタイミングで変化する制御信号が供給される構成とすることができる。
【００１５】
上述した好ましい構成の本開示の固体撮像素子にあっては、
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
ゲート電極に浮遊拡散領域の電圧が印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
画素を制御する制御線は、初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタのそれぞれに対応して設けられており、
転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタの導通／非導通は、直前フレームと現フレームとにおいて同じタイミングで制御される、
構成とすることができる。
【００１６】
あるいは又、画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行う構成の本開示の固体撮像素子にあっては、
画素を制御する制御線には、撮像フレームに応じてタイミングが可変可能な制御信号が供給され、
駆動部は、有効な画素信号を読み出す際に、読み出し行として選択された画素行の制御線が毎フレーム全行同じ極性になるよう制御するための回路を備えている、
構成とすることができる。
【００１７】
この場合において、
画素を制御する制御線には、光電変換部での信号電荷の蓄積を行う露光期間が可変可能な制御信号が供給される、
構成とすることができる。
【００１８】
この場合において、
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
浮遊拡散領域の電圧がゲート電極に印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
駆動部は、
光電変換部の初期化の開始から光電変換部での信号電荷の蓄積を開始するまでの期間の間に読出し対象となる画素行の選択トランジスタが導通状態となる場合に、当該画素行において、選択トランジスタが導通状態となるときに初期化トランジスタが非導通状態となるように初期化トランジスタを制御するための回路を備えている、
構成とすることができる。
【００１９】
本開示に係る固体撮像素子の駆動方法にあっては、画素を制御する制御線に、撮像フレームに関わらず同じタイミングで変化する制御信号を供給する構成とすることができる。
【００２０】
上述した好ましい構成の本開示に係る固体撮像素子の駆動方法にあっては、
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
ゲート電極に浮遊拡散領域の電圧が印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
画素を制御する制御線は、初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタのそれぞれに対応して設けられており、
初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタの導通／非導通を、直前フレームと現フレームとにおいて同じタイミングで制御する、
構成とすることができる。
【００２１】
あるいは又、画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行う構成の本開示に係る固体撮像素子の駆動方法にあっては、
画素を制御する制御線に、撮像フレームに応じてタイミングが可変可能な制御信号を供給し、
有効な画素信号を読み出す際に、読み出し行として選択された画素行の制御線が毎フレーム全行同じ極性になるよう制御する、
構成とすることができる。
【００２２】
この場合において、
画素を制御する制御線に、光電変換部での信号電荷の蓄積を行う露光期間が可変可能な制御信号を供給する、
構成とすることができる。
【００２３】
この場合において、
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
浮遊拡散領域の電圧がゲート電極に印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
光電変換部の初期化の開始から光電変換部での信号電荷の蓄積を開始するまでの期間の間に読出し対象となる画素行の選択トランジスタが導通状態となる場合に、当該画素行において、選択トランジスタが導通状態となるときに初期化トランジスタが非導通状態となるように初期化トランジスタを制御する、
構成とすることができる。
【００２４】
本開示の固体撮像素子において、駆動部は、論理回路やメモリなどを用いて構成することができる。また、画素アレイ部は、例えばシリコンなどから成る半導体基板に形成することができる。駆動部と画素アレイ部は一体であってもよいし、別体であってもよい。例えば、駆動部の全てまたは一部が画素アレイ部と別体として構成されていてもよい。
【００２５】
また、本開示の固体撮像素子を備えた電子機器として、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器を例示することができる。
【００２６】
［第１の実施形態］
第１の実施形態は、本開示に係る、固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法、及び、電子機器に関する。
【００２７】
図１は、本開示が適用される固体撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサの構成を説明するための模式図である。
【００２８】
図１に示すように、固体撮像素子１０は、画素アレイ部１１、及び、画素アレイ部１１を駆動する駆動部１３を備えている。駆動部１３は、カラム処理部１４、水平駆動部１５、及び、垂直駆動部１７を備えている。駆動部１３の動作は、図示せぬ制御回路によって制御される。画素アレイ部１１、カラム処理部１４、水平駆動部１５、垂直駆動部１７は、図示せぬ半導体基板上に形成されている。固体撮像素子１０は、更に、信号処理部１９を備えている。
【００２９】
画素アレイ部１１は、光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素１２がマトリクス状に配列されて成る。各画素１２は、行ごとに、制御線１８を介して垂直駆動部１７に接続される。また、各画素１２は、列ごとに、信号線１６を介してカラム処理部１４に接続される。
【００３０】
画素アレイ部１１には、図示せぬ光学系により集光される光が入射する。画素１２は、受光する光の光量に応じたレベルの画素信号を出力する。画素信号によって、被写体の画像が構成される。
【００３１】
画素１２は、フォトダイオードなどから成る光電変換部、光電変換部からの電荷が転送される浮遊拡散領域、及び、画素を駆動するためのトランジスタから構成される。例えば、これらの構成要素が、ｎ型の半導体基板に設けられたｐ型ウェル内に形成されている構成とすることができる。
【００３２】
画素アレイ部１１には、各画素行に対応して制御線１８が形成されている。垂直駆動部１７は、画素アレイ部１１の画素１２を行ごとに順次駆動するための駆動信号を、制御線１８を介して画素１２に供給する。尚、図示の都合上、図１では画素行毎に１本の制御線１８を示した。実際には、後述する図２、図５、及び、図８に示すように、１つの画素行に対応して、複数の制御線が配される。
【００３３】
また、画素アレイ部１１には、各画素列に対応して信号線１６が形成されている。画素１２から出力される信号（信号レベル、リセットレベル）は、信号線１６を介して、カラム処理部１４に送られる。カラム処理部１４は、画素１２から出力される信号に基づいて２重サンプリング（Double Data Sampling：ＤＤＳ)を施した後、Ａ／Ｄ変換を行う。カラム処理部１４は、画素列ごとに並列的にＤＤＳ処理を行う構成とすることができる。
【００３４】
カラム処理部１４は、水平駆動部１５からの駆動信号によって動作する。水平駆動部１５は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路によって構成されている。画素アレイ部１１に配置される複数の画素列ごとに順次、カラム処理部１４から画素信号が信号処理部１９に出力される。
【００３５】
信号処理部１９は、例えば、カラム処理部１４からの画素信号に対して種々の信号処理を施し、画像出力として生成する。信号処理部１９は、例えば、画素アレイ部１１が形成される半導体基板に一体として形成されていてもよいし、別の基板に設けられていてもよい。更には、信号処理部１９はＤＳＰやソフトウェアによる処理であってもよい。
【００３６】
垂直駆動部１７は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路によって構成され、画素アレイ部１１の各画素１２を、全画素同時あるいは行単位で駆動する。具体的には、画素１２のリセット、露光、電荷の転送は全画素同時で行い、読み出しは行単位で行うように駆動する。
【００３７】
一括リセットと一括露光によって、所謂グローバル露光が行われる。また、読出し走査は、画素アレイ部１１の画素１２を行単位で順に選択走査する。本開示では、画素アレイ部１１の画素１２を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行う。光電変換部を初期化して新たに露光を開始してから転送を行うまでの期間が露光期間（光電荷の蓄積期間）となる。
【００３８】
［メモリ蓄積型画素とＦＤ蓄積型画素との説明］
本開示の理解を助けるため、第１の参考例として、メモリ蓄積型画素を用いた場合の一般的なグローバル露光の動作を説明し、次いで、第２の参考例として、ＦＤ蓄積型画素を用いた場合の一般的なグローバル露光の動作について説明する。先ず、第１の参考例について説明する。
【００３９】
図２は、第１の参考例に係る画素を説明するための模式的な回路図である。
【００４０】
この画素１１２は、メモリ蓄積型画素であって、
光電変換部ＰＤに所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷をメモリ部ＭＥＭに転送するためのメモリ部用転送トランジスタ、
メモリ部ＭＥＭの電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域ＦＤに所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
ゲート電極に浮遊拡散領域ＦＤの電圧が印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線１６とを接続するための選択トランジスタ、
といった６つのトランジスタ（それぞれ、符号ＯＦＧ，ＴＲＸ，ＴＲＧ，ＲＳＴ，ＡＭＰ，ＳＥＬで表す）、フォトダイオードから成る光電変換部ＰＤ、メモリ部ＭＥＭ、及び、浮遊拡散領域ＦＤから構成されている。この画素１１２を用いたＣＭＯＳイメージセンサの構成は、駆動部１３からの信号が相違する他は、基本的には図１と同様であって、図１における画素１２を画素１１２と読み替えた構成である。各トランジスタはｎチャネル型ＦＥＴから成るとする。但し、これに限るものではなく、必要に応じて、ｐチャネル型のＦＥＴを用いることもできる。
【００４１】
以下の説明において、記載の都合上、トランジスタのゲート電極に供給される制御信号を表す符号として、トランジスタを表す符号をそのまま用いる場合がある。また、各トランジスタのゲート電極に接続される制御線１８を、単にトランジスタを表す符号をそのまま用いて表す場合がある。
【００４２】
光電変換部ＰＤの一端（アノード側）、メモリ部ＭＥＭの一端、及び、浮遊拡散領域ＦＤの一端には、一定の電圧（例えば接地電圧）が供給される。駆動電圧が供給される電源線と光電変換部ＰＤの他端（カソード側）とは、初期化トランジスタＯＦＧを介して接続されている。駆動電圧が供給される電源線と浮遊拡散領域ＦＤの他端とは、リセットトランジスタＲＳＴを介して接続されている。光電変換部ＰＤの他端とメモリ部ＭＥＭの他端とは、メモリ部用転送トランジスタＴＲＸを介して接続されている。また、メモリ部ＭＥＭの他端と浮遊拡散領域ＦＤの他端とは、転送トランジスタＴＲＧを介して接続されている。
【００４３】
光電変換部ＰＤは、アノード電極が低電位側に接続されており、受光した光（入射光）をその光量に応じた電荷に変換してその電荷を蓄積する。増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極と電気的に繋がったノードが浮遊拡散領域ＦＤである。
【００４４】
増幅トランジスタＡＭＰの一端は駆動電圧が供給される電源線に接続されている。増幅トランジスタＡＭＰの他端と信号線１６とは、選択トランジスタＳＥＬを介して接続されている。増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極は、浮遊拡散領域ＦＤの他端に接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲート電極やこれに接続される制御線と浮遊拡散領域ＦＤとの間の浮遊容量を、符号ＣＦ1で表す。
【００４５】
図３は、第１の参考例に係る固体撮像素子の基本的な動作を説明するための、模式的なタイミングチャートである。図示の都合上、或る列における、第０行目、第１行目、及び、第２行目の画素における駆動のタイミングを示した。
【００４６】
尚、図示の都合上、浮遊拡散領域ＦＤの電圧波形については、トランジスタのフィードスルーによる変動はないものとして示した。他の図面についても同様である。
【００４７】
以下の説明において、第０行目、第１行目、第２行目のうちどの画素に関する事項であることを明示する場合に、符号の最後に［＜０＞］、［＜１＞］、［＜２＞］といった記載を付す場合がある。
【００４８】
先ず、第１の参考例における画素の基本的な動作について説明する。次いで、選択トランジスタＳＥＬと浮遊拡散領域ＦＤとの間の浮遊容量ＣＦ1による影響について説明する。
【００４９】
全行の制御線ＯＦＧがハイレベルとされている状態（換言すれば、初期化トランジスタＯＦＧを介して電圧ＶDDが印加され光電変換部ＰＤがリセットされている状態）から、全行の制御線ＯＦＧを一括してローレベルとする（図３においてグローバルシャッターと記した）。これによって、全画素において露光が開始される。
【００５０】
そして、所定の露光期間が経過した後、全行の制御線ＴＲＸを所定の期間ハイレベルとする（図３においてグローバル転送と記した）。これによって、メモリ部用転送トランジスタＴＲＸが導通状態となって、光電変換された電荷がメモリ部に転送され、保持される。
【００５１】
その後、全行の制御線ＯＦＧを一括してハイレベルとする（図３においてグローバルＰＤリセットと記した）。これによって、全画素において光電変換部ＰＤの初期化（リセット）が行われる。
【００５２】
次いで、１行ずつ画素信号を読み出す。具体的には、読み出し対象となる行の制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとし、次いで、制御線ＲＳＴがローレベルの状態で制御線ＴＲＧを一定期間ハイレベルとする。以下説明するように、この動作によって、リセットレベルと信号レベルの読出しが行われる。
【００５３】
説明の都合上、第０行目の画素の読み出し動作に注目して説明する。制御線ＳＥＬ＜０＞が所定の期間ハイレベルとされ、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。この期間内において制御線ＲＳＴ＜０＞が一定期間ハイレベルとされ、リセットトランジスタＲＳＴが導通状態となる。これによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ＜０＞が非導通状態となった後も、浮遊拡散領域ＦＤはリセットされた状態を維持する。このときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧をＲＳＴ＿ＬＶＬと表す。尚、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【００５４】
そして、浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬが増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介してリセットレベルを読み出す。図３において、リセットレベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。リセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【００５５】
次いで、浮遊拡散領域ＦＤが電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬにリセットされた状態で、制御線ＴＲＧ＜０＞が一定期間ハイレベルとされる。これによって、転送トランジスタＴＲＧが導通状態となり、メモリ部から電荷が浮遊拡散領域ＦＤに転送されるので、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は転送される電荷に応じた値に変化する。転送トランジスタＴＲＸが非導通状態となっても、浮遊拡散領域ＦＤは従前の状態を維持する。電荷転送後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧をＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞と表す。
【００５６】
そして、浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞が増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図３において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞
である。
【００５７】
信号線１６を介して読み出されるリセットレベル、信号レベルは、それぞれ、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電圧によって制御される。カラム処理部１４は、リセットレベルと信号レベルとの差分を求め、それを映像信号ＶOUT＜０＞とする。増幅による利得を係数ｋAMPで表せば、基本的には、
ＶOUT＜０＞＝ｋAMP・（ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞）
と表される。電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬのゆらぎと電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞のゆらぎには強い相関があるので、上記の演算は相関２重サンプリング（ＣＤＳ)処理となる。
【００５８】
尚、図２における初期化トランジスタＯＦＧを省略した構成とすることもできる。この場合、トランジスタＲＳＴ，ＴＲＧ，ＴＲＸを同時に導通状態とすることで光電変換部ＰＤのリセットを行うことができる。
【００５９】
以上、参考例の画素の基本的な動作について説明した。
【００６０】
次いで、選択トランジスタＳＥＬと浮遊拡散領域ＦＤとの間の浮遊容量ＣＦ1による影響について説明する。
【００６１】
浮遊容量ＣＦ1によるカップリングのため、制御線ＳＥＬにおけるローレベル／ハイレベルの切り替えに応じて、浮遊拡散領域ＦＤの電圧が変動する。
【００６２】
図４は、制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わるときの影響を考慮したときの、模式的なタイミングチャートである。制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わるときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧変化を、ΔＶcp1で表した。
【００６３】
メモリ蓄積型画素においては、浮遊容量ＣＦ1によるカップリングは大きな問題とはならない。即ち、読み出しの際に制御線ＳＥＬがハイレベルになることで浮遊拡散領域ＦＤの電圧が変動したとしても、リセットトランジスタＲＳＴが導通状態とされ浮遊拡散領域ＦＤの電圧はリセットされ、浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬが増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介してリセットレベルを読み出す。従って、浮遊容量ＣＦ1によるカップリングはリセットレベルの読み出しになんら影響を与えない。更には、浮遊拡散領域ＦＤが電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬにリセットされた状態でメモリ部から電荷が浮遊拡散領域ＦＤに転送されるので、電荷転送後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧も、浮遊容量ＣＦ1によるカップリングの影響を受けない。
【００６４】
上述したように、メモリ蓄積型画素はカップリングの影響を受け難いという利点を有する。しかしながら、画素アレイ部１１の高精細度化に伴い、近年、画素ピッチをより微細化することが求められている。メモリ蓄積型画素は、画素を構成するトランジスタの数が多く、また、メモリ部を設ける必要があるといった点で、微細化を図る上では不利な構成である。
【００６５】
次いで、第２の参考例について説明する。
【００６６】
図５は、本開示の固体撮像素子に用いられるＦＤ蓄積型画素を説明するための模式的な回路図である。
【００６７】
画素１２は、ＦＤ蓄積型画素であって、
光電変換部ＰＤに所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域ＦＤに所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
ゲート電極に浮遊拡散領域ＦＤの電圧が印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
といった５つのトランジスタ（それぞれ、符号ＯＦＧ，ＴＲＧ，ＲＳＴ，ＡＭＰ，ＳＥＬで表す）、フォトダイオードから成る光電変換部ＰＤ、及び、浮遊拡散領域ＦＤから構成されている。図２に対してトランジスタＴＲＸとメモリ部ＭＥＭとが省かれているので、画素ピッチの微細化を図る上で有利な構成である。
【００６８】
光電変換部ＰＤの一端（アノード側）、及び、浮遊拡散領域ＦＤの一端には、一定の電圧（例えば接地電圧）が供給される。駆動電圧が供給される電源線と光電変換部ＰＤの他端（カソード側）とは、初期化トランジスタＯＦＧを介して接続されている。駆動電圧が供給される電源線と浮遊拡散領域ＦＤの他端とは、リセットトランジスタＲＳＴを介して接続されている。光電変換部ＰＤの他端と浮遊拡散領域ＦＤの他端とは、転送トランジスタＴＲＧを介して接続されている。
【００６９】
増幅トランジスタＡＭＰの一端は駆動電圧が供給される電源線に接続されている。増幅トランジスタＡＭＰの他端と信号線１６とは、選択トランジスタＳＥＬを介して接続されている。増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極は、浮遊拡散領域ＦＤの他端に接続されている。図２と同様に、選択トランジスタＳＥＬのゲート電極やこれに接続される制御線と浮遊拡散領域ＦＤとの間の浮遊容量を、符号ＣＦ1で表す。
【００７０】
図６は、第２の参考例の基本的な動作を説明するための図であって、本開示の固体撮像素子に用いられるＦＤ蓄積型画素を用いて一般的なグローバル露光の動作をするときの、模式的なタイミングチャートである。尚、図示の都合上、或る列における、第０行目、第１行目、及び、第２行目の画素における駆動のタイミングを示した。
【００７１】
先ず、第２の参考例における画素の基本的な動作について説明する。次いで、選択トランジスタＳＥＬと浮遊拡散領域ＦＤとの間の浮遊容量ＣＦ1による影響について説明する。
【００７２】
全行の制御線ＯＦＧがハイレベルとされている状態（換言すれば、初期化トランジスタＯＦＧを介して電圧ＶDDが印加され光電変換部ＰＤがリセットされている状態）から、全行の制御線ＯＦＧを一括してローレベルとする（図６においてグローバルシャッターと記した）。これによって、全画素において露光が開始される。
【００７３】
そして、所定の露光期間が経過した後、全行の制御線ＴＲＧを所定の期間ハイレベルとする（図６においてグローバル転送と記した）。これによって、転送トランジスタＴＲＧが導通状態となって、光電変換された電荷が浮遊拡散領域ＦＤに転送され、保持される。
【００７４】
次いで、１行ずつ画素信号を読み出す。具体的には、読み出し対象となる行の制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。以下説明するように、この動作によって、信号レベルとリセットレベルの読出しが行われる。
【００７５】
説明の都合上、第０行目の画素の読み出し動作に注目して説明する。グローバル転送直後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧をＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞と表す。浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞が増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図６において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞
である。
【００７６】
次いで、制御線ＲＳＴ＜０＞が一定期間ハイレベルとされ、リセットトランジスタＲＳＴが導通状態となる。これによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ＜０＞が非導通状態となった後も、浮遊拡散領域ＦＤはリセットされた状態を維持する。このときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧をＲＳＴ＿ＬＶＬと表す。尚、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【００７７】
そして、浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬが増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介してリセットレベルを読み出す。図６において、リセットレベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。リセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【００７８】
信号線１６を介して読み出される信号レベル、リセットレベルは、それぞれ、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電圧によって制御される。カラム処理部１４は、リセットレベルと信号レベルとの差分を求め、それを映像信号ＶOUT＜０＞とする。増幅による利得を係数ｋAMPで表せば、基本的には、
ＶOUT＜０＞＝ｋAMP・（ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞）
と表される。電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞のゆらぎと電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬのゆらぎとの相関はほぼないので、上記の演算は２重サンプリング（ＤＤＳ)処理となる。
【００７９】
尚、上述した動作例の場合には、図５における初期化トランジスタＯＦＧを省略した構成とすることもできる。この場合、トランジスタＲＳＴ，ＴＲＧを同時に導通状態とすることで光電変換部ＰＤのリセットを行うことができる。
【００８０】
以上、第２の参考例の基本的な動作について説明した。次いで、選択トランジスタＳＥＬと浮遊拡散領域ＦＤとの間の浮遊容量ＣＦ1による影響について説明する。
【００８１】
図７は、制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わるときの影響を考慮したときの、模式的なタイミングチャートである。制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わるときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧変化を、ΔＶcp1で表した。
【００８２】
図６においては、信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞は、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞
であった。
【００８３】
しかしながら、図７に示すように、制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わることで、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はΔＶcp1上昇する。従って、信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞は、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＋ΔＶcp1
となる。一方、リセットレベルの読み出しにおいては、この電圧変化は特段影響を与えないので、
ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【００８４】
従って、映像信号ＶOUT＜０＞は、
ＶOUT＜０＞＝ｋAMP・（ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞−ΔＶcp1）
となり、カップリングの影響を受ける。これは、画質を劣化させる要因となる。
【００８５】
［特許文献１に開示された動作の説明および課題］
特許文献１には、ＦＤ蓄積型画素を用いた固体撮像素子において、カップリングによる浮遊拡散領域の電圧変動の影響を回避する技術が記載されている。以下、図面を参照して、特許文献１に開示された動作の説明および課題について説明する。
【００８６】
図８は、特許文献１に開示された画素を説明するための模式的な回路図である。
【００８７】
この画素２１２は、ＦＤ蓄積型画素であって、４つのトランジスタ（符号ＴＲＧ，ＲＳＴ，ＡＭＰ，ＳＥＬで表す）、フォトダイオードから成る光電変換部ＰＤ、及び、浮遊拡散領域ＦＤから構成されている。図５の画素１２に対してトランジスタＯＦＧが省かれた構成である。この画素２１２を用いたＣＭＯＳイメージセンサの構成は、駆動部１３からの信号が相違する他は、基本的には図１と同様であって、図１における画素１２を画素２１２と読み替えた構成である。各トランジスタはｎチャネル型ＦＥＴから成るとする。
【００８８】
図９は、特許文献１に開示された画素を用いて一般的なグローバル露光の動作をするときの、模式的なタイミングチャートである。尚、このタイミングチャートは、制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わるときの影響と、制御線ＳＥＬがハイレベルからローレベルに切り替わるときの影響を考慮して記載されている。また、説明の都合上、撮像対象は暗状態であって、浮遊拡散領域ＦＤがリセットされた状態で電荷転送動作を行っても浮遊拡散領域ＦＤの電圧は変化しないとして波形を示した。
【００８９】
全行の制御線ＴＲＧ，ＲＳＴがハイレベルとされている状態（換言すれば、リセットトランジスタＲＳＴと転送トランジスタＴＲＧを介して電圧ＶDDが印加され光電変換部ＰＤがリセットされている状態）から、全行の制御線ＴＲＧ，ＲＳＴを一括してローレベルとする（図９においてグローバルシャッターと記した）。これによって、全画素において露光が開始される。
【００９０】
そして、露光期間（図９におけるグローバルシャッター直後からグローバル転送の直前までの期間）内に、全行の制御線ＲＳＴを所定の期間ハイレベルとする。これによって、浮遊拡散領域ＦＤはリセットされる。浮遊拡散領域ＦＤの電圧をＲＳＴ＿ＬＶＬと表す。尚、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【００９１】
所定の露光期間が経過した後、全行の制御線ＴＲＧを所定の期間ハイレベルとする（図８においてグローバル転送と記した）。これによって、転送トランジスタＴＲＧが導通状態となって、光電変換された電荷が浮遊拡散領域ＦＤに転送され、保持される。
【００９２】
上述したように、撮像対象は暗状態であって、浮遊拡散領域ＦＤがリセットされた状態で電荷転送動作を行っても浮遊拡散領域ＦＤの電圧は変化しない。例えば第０行目の画素に注目すれば、グローバル転送直後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞は、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【００９３】
次いで、１行ずつ画素信号を読み出す。具体的には、読み出し対象となる行の制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。以下説明するように、この動作によって、信号レベルとリセットレベルの読出しが行われる。
【００９４】
説明の都合上、第０行目の画素の読み出し動作に注目して説明する。制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わることによって、浮遊拡散領域ＦＤにはカップリングが生じ、電圧が変化する。電圧変化をΔＶcp1で表した。
【００９５】
従って、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は「ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＋ΔＶcp1」となる。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ている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図９において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＋ΔＶcp1
＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ＋ΔＶcp1
である。
【００９６】
次いで、制御線ＲＳＴ＜０＞が一定期間ハイレベルとされ、リセットトランジスタＲＳＴが導通状態となる。これによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ＜０＞が非導通状態となった後も、浮遊拡散領域ＦＤはリセットされた状態を維持する。このときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧もＲＳＴ＿ＬＶＬで表され、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【００９７】
そして、浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬが増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介してリセットレベルを読み出す。図９において、リセットレベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。リセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【００９８】
従って、撮像対象は暗状態であって、浮遊拡散領域ＦＤがリセットされた状態で電荷転送動作を行っても浮遊拡散領域ＦＤの電圧は変化しないにもかかわらず、信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞とリセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞との間には、ΔＶcp1だけ差が生ずる。これは、画質を劣化させる要因となる。
【００９９】
引用文献１には、上述した画質の劣化要因を低減するための駆動方法が提案されている。以下、図１０を参照して、この駆動方法について説明する。
【０１００】
図１０は、制御線ＳＥＬと浮遊拡散領域のカップリングによる影響を低減することができる動作を説明するための、模式的なタイミングチャートである。図９と同様に、このタイミングチャートは、制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わるときの影響と、制御線ＳＥＬがハイレベルからローレベルに切り替わるときの影響を考慮して記載されている。また、図９と同様に、説明の都合上、撮像対象は暗状態であって、浮遊拡散領域ＦＤがリセットされた状態で電荷転送動作を行っても浮遊拡散領域ＦＤの電圧は変化しないとして波形を示した。
【０１０１】
図１０に示すグローバル転送の終期までの動作は、図９を参照して説明した動作と同様であるので、説明を省略する。
【０１０２】
上述したように、撮像対象は暗状態であって、浮遊拡散領域ＦＤがリセットされた状態で電荷転送動作を行っても浮遊拡散領域ＦＤの電圧は変化しない。例えば、第０行目の画素に注目すれば、グローバル転送直後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞は、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【０１０３】
次いで、１行ずつ画素信号を読み出す。具体的には、読み出し対象となる行の制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。
【０１０４】
説明の都合上、第０行目の画素の読み出し動作に注目して説明する。制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わることによって、浮遊拡散領域ＦＤにはカップリングが生じ、電圧が変化する。電圧変化をΔＶcp1で表した。
【０１０５】
従って、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は「ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＋ΔＶcp1」となる。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ている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図１０において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＋ΔＶcp1
＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ＋ΔＶcp1
である。
【０１０６】
この後、制御線ＳＥＬがハイレベルからローレベルに切り替わる。選択トランジスタＳＥＬは非導通状態となる。制御線ＳＥＬがローレベルである期間内に、制御線ＲＳＴ＜０＞が一定期間ハイレベルとされ、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ＜０＞が非導通状態となった後も、浮遊拡散領域ＦＤはリセットされた状態を維持する。このときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧もＲＳＴ＿ＬＶＬで表され、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【０１０７】
次いで、制御線ＳＥＬが所定の期間ハイレベルとされ、浮遊拡散領域ＦＤの電圧が増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介してリセットレベルを読み出す。
【０１０８】
制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わることによって、浮遊拡散領域ＦＤにはカップリングが生じ電圧が変化する。この電圧変化は、基本的には、上述したΔＶcp1と同様である。図１０において、リセットレベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。リセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ＋ΔＶcp1
である。
【０１０９】
従って、撮像対象は暗状態であって、浮遊拡散領域ＦＤがリセットされた状態で電荷転送動作を行っても浮遊拡散領域ＦＤの電圧は変化しない場合に、信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞とリセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞との間には差が生じない。即ち、映像信号ＶOUT＜０＞は、
ＶOUT＜０＞＝ｋAMP・（ＲＳＴ＿ＬＶＬ＋ΔＶcp1−ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞−ΔＶcp1）
＝ｋAMP・（ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞）
となり、カップリングの影響が低減されている。
【０１１０】
以上、特許文献１に開示された動作について説明した。
【０１１１】
図１０に示す動作では、信号レベルとリセットレベルの読み出しのそれぞれに同期するように、制御線ＳＥＬに制御パルスを供給する必要がある。この構成では、制御線ＳＥＬの駆動に要する期間を長くせざるを得ないので、動作の高速化を図るといった点に対して妨げとなる。また、フレームとフレームとの間で光電変換部の露光期間が変化するといった構成では、カップリングによる浮遊拡散領域の電圧変動の影響が残るといった課題がある。
【０１１２】
更には、光電変換部の露光期間が終了した後に各行の読み出しが開始されるといった動作であるので、フレーム期間の短縮化にも限界がある。上述した各参考例においても同様である。従って、高フレームレート化を図る上での課題がある。
【０１１３】
［第１の実施形態の動作の説明］
以下、図面を参照して、第１の実施形態の動作について説明する。
【０１１４】
図１１は、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子を説明するための、動作の概念図である。図１２は、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子の動作において、制御線ＳＥＬと浮遊拡散領域のカップリングを反映した状態の模式的なタイミングチャートである。
【０１１５】
図１１に示すように、第１の実施形態にあっては、
画素アレイ部１１の画素１２を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部ＰＤをリセットし、次いで、全画素において同時に光電変換部ＰＤでの信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行う。従って、上述した各参考例よりもフレーム期間を短縮することができるので、高フレームレート化を図ることができる。
【０１１６】
そして、第１の実施形態に係る固体撮像素子１０にあっては、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域ＦＤが所定の電圧にリセットされた状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域ＦＤから読み出し、
次いで、浮遊拡散領域ＦＤを所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出し、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する。
【０１１７】
第１の実施形態に係る固体撮像素子１０にあっては、
画素１２を制御する制御線には、撮像フレームに関わらず同じタイミングで変化する制御信号が供給される。従って、グローバル露光の期間長やそのタイミングは、撮像フレームに関わらず一定（固定）された構成である。
【０１１８】
上述したように、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子１０については、図５に示した画素１２が用いられる。画素１２を制御する制御線は、初期化トランジスタＯＦＧ、転送トランジスタＴＲＧ、リセットトランジスタＲＳＴ、及び、選択トランジスタＳＥＬのそれぞれに対応して設けられており、
転送トランジスタＴＲＧ、リセットトランジスタＲＳＴ、及び、選択トランジスタＳＥＬの導通／非導通は、直前フレームと現フレームとにおいて同じタイミングで制御される。
【０１１９】
以下、図１２を参照して、詳しく説明する。説明の都合上、図１２では、第０行目、第１行目については、ＰＤリセット期間内に読み出しが行われ、第２行目以降はグローバル露光期間内に読み出しが行われる場合の動作を示した。尚、図示せぬ動作直後の最初期フレームは、ロジック動作の初期化などのために用いられ捨てフレームとされる。
【０１２０】
特許文献１では、カップリングの影響を低減するために、信号レベルとリセットレベルの読み出しのそれぞれに同期するように、制御線ＳＥＬに制御パルスを供給する必要があった。これに対し、第１の実施形態にあっては、読み出しの際には制御線ＳＥＬに１つのパルスを供給すれば済む。
【０１２１】
全行の制御線ＯＦＧがハイレベルとされている状態（換言すれば、初期化トランジスタＯＦＧを介して電圧ＶDDが印加され光電変換部ＰＤがリセットされている状態）から、全行の制御線ＯＦＧを一括してローレベルとする（図１２においてグローバルシャッター［Ａ］と記した）。これによって、全画素において露光が開始される。
【０１２２】
そして、所定の露光期間が経過した後、全行の制御線ＴＲＧを所定の期間ハイレベルとする（図１２においてグローバル転送［Ａ］と記した）。これによって、転送トランジスタＴＲＧが導通状態となって、光電変換された電荷が浮遊拡散領域ＦＤに転送され、保持される。
【０１２３】
その後、全行の制御線ＯＦＧを一括してハイレベルとする（図１２においてグローバルＰＤリセット［Ｂ］と記した）。これによって、全画素において光電変換部ＰＤのリセットが行われる。
【０１２４】
次いで、１行ずつ画素信号を読み出す。具体的には、読み出し対象となる行の制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。以下説明するように、この動作によって、信号レベルとリセットレベルの読出しが行われる。尚、説明の都合上、読み出し動作については、図１２においてグローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間において詳しく説明する。
【０１２５】
上述したように、第０行目、第１行目については、光電変換部ＰＤのリセットが行われている間に読み出しが行われる。第２行目については、光電変換部ＰＤのリセットが終了した後のグローバル露光期間内に読み出しが行われる。説明の都合上、先ず、第０行目の画素１２の読み出し動作に注目して説明する。
【０１２６】
図１２においてグローバルＰＤリセット［Ｂ］と記す期間内に、制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。浮遊拡散領域ＦＤの電圧は、ＰＤからの電荷転送後の電圧、次いで、リセット後の電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬとなる。尚、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【０１２７】
制御線ＳＥＬがハイレベルからローレベルに切り替わると、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はカップリングによって降下する。降下分の絶対値をΔＶcp2と表す。従って、グローバルＰＤリセット［Ｂ］と記す期間内の読み出し終了後は、
浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞の電圧＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ΔＶcp2
である。尚、浮遊拡散領域ＦＤ＜１＞の電圧についても同様である。この電圧が、次フレームの電荷転送時における浮遊拡散領域ＦＤの基準電圧となる。
【０１２８】
そして、次の露光期間が経過した後、全行の制御線ＴＲＧを所定の期間ハイレベルとする（図１２においてグローバル転送［Ｂ］と記した）。これによって、転送トランジスタＴＲＧが導通状態となって、光電変換された電荷が浮遊拡散領域ＦＤに転送され、保持される。
【０１２９】
前フレームにおいて浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞の電圧が（ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ΔＶcp2）となった状態を基準として、光電変換部ＰＤから浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞に電荷が転送される。従って、定性的には、電荷転送後の浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞の電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞は、本来あるべき値よりも概ねΔＶcp2降下した値となる。電荷転送後の浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞の本来あるべき電圧値をＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞とすれば、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞−ΔＶcp2
である。
【０１３０】
図１２においてグローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間内に、制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。以下説明するように、この動作によって、信号レベルとリセットレベルの読出しが行われる。
【０１３１】
制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わることによって、浮遊拡散領域ＦＤにはカップリングが生じ電圧が上昇する。上昇分の絶対値をΔＶcp1と表す。これは、上述したΔＶcp2と略同様の値である。
【０１３２】
従って、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は「ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＋ΔＶcp1」となる。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ている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図１２において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＋ΔＶcp1
≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞−ΔＶcp2＋ΔＶcp1
≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞
【０１３３】
信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧は、概ねＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞となる。従って、カップリングによる電圧変動が低減された状態で、信号レベルを読み出すことができる。
【０１３４】
次いで、制御線ＲＳＴ＜０＞が一定期間ハイレベルとされ、リセットトランジスタＲＳＴが導通状態となる。これによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ＜０＞が非導通状態となった後も、浮遊拡散領域ＦＤはリセットされた状態を維持する。このときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧もＲＳＴ＿ＬＶＬで表され、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【０１３５】
そして、浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬが増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介してリセットレベルを読み出す。図１２において、リセットレベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。リセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【０１３６】
信号線１６を介して読み出される信号レベル、リセットレベルは、それぞれ、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電圧によって制御される。カラム処理部１４は、リセットレベルと信号レベルとの差分を求め、それを映像信号ＶOUT＜０＞とする。増幅による利得を係数ｋAMPで表せば、基本的には、
ＶOUT＜０＞＝ｋAMP・（ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞）
と表される。上記の演算は２重サンプリング（ＤＤＳ)処理となる。
【０１３７】
以上、第０行目の読み出しについて説明した。第１行目の動作は、第０行目の動作と同様であるので、説明を省略する。
【０１３８】
次いで、第２行目の動作について説明する。
【０１３９】
第２行目は、光電変換部ＰＤのリセットが終了した後のグローバル露光期間内に読み出しが行われる点が相違する。しかしながら、図１２においてグローバルシャッター［Ｂ］と記す期間内の読み出し終了後は、
浮遊拡散領域ＦＤ＜２＞の電圧＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ΔＶcp2
である。この電圧が、次フレームの電荷転送時における浮遊拡散領域ＦＤの基準電圧となる。従って、第２行目においても、次フレームの電荷転送時における浮遊拡散領域ＦＤの基準電圧は、第０行目および第１行目と同様の電圧となる。
【０１４０】
そして、図１２においてグローバル転送［Ｂ］と表した期間の後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧変化は、第０行目において説明したのと同様である。電荷転送後の浮遊拡散領域ＦＤ＜２＞の本来あるべき電圧値をＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞とすれば、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞−ΔＶcp2
である。
【０１４１】
次いで、図１２においてグローバルシャッター［Ｃ］と記す期間内に、制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。以下説明するように、この動作によって、信号レベルとリセットレベルの読出しが行われる。
【０１４２】
制御線ＳＥＬがローレベルからハイレベルに切り替わることによって、浮遊拡散領域ＦＤにはカップリングが生じ電圧が上昇する。上昇分の絶対値をΔＶcp1と表す。これは、上述したΔＶcp2と略同様の値である。
【０１４３】
従って、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は「ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞＋ΔＶcp1」となる。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ている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図１２において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜２＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜２＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞＋ΔＶcp1
≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞−ΔＶcp2＋ΔＶcp1
≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞
【０１４４】
従って、第２行目においても、信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧は、概ねＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞となる。従って、カップリングによる電圧変動が低減された状態で、信号レベルを読み出すことができる。
【０１４５】
以上説明したように、第１の実施形態にあっては、上述した各参考例よりもフレーム期間を短縮することができるので、高フレームレート化を図ることができ、更には、直前フレームのリセット状態を基準としてグローバル転送を行い読み出しを行うことで、カップリングの影響を低減することができる。
【０１４６】
［第２の実施形態］
第２の実施形態も、本開示に係る、固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法、及び、電子機器に関する。
【０１４７】
［露光期間の可変動作および課題］
第２の実施形態の理解を助けるため、第１の実施形態において露光期間を可変としたときの動作とそれに伴う課題について説明する。
【０１４８】
図１３は、本開示の固体撮像素子に用いられる画素において、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域のカップリングを説明するための、模式的な回路図である。
【０１４９】
露光期間が固定されている場合の浮遊容量ＣＦ2のカップリングの影響について説明する。この場合には、制御線ＯＦＧの切り替わりのタイミングはフレーム間で変化しない。後で図１４を参照して説明するが、制御線ＳＥＬのカップリングと同様に、制御線ＯＦＧのカップリングによる電圧変動が低減された状態で、信号レベルを読み出すことができる。
【０１５０】
一方、第１の実施形態において露光期間を可変とすると、制御線ＯＦＧの切り替わりのタイミングが、フレーム間で変化する場合が生ずる。このため、初期化トランジスタＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤとの間の浮遊容量ＣＦ2によって、カップリングの影響が生ずる。
【０１５１】
先ず、露光期間が固定されている場合の動作について説明する。
【０１５２】
図１４は、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子において、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域のカップリングを反映した状態の模式的なタイミングチャートである。各制御線の動作タイミング自体は、第１の実施形態で参照した図１２と同様である。即ち、露光期間は固定されている。
【０１５３】
尚、判読性を考慮し、図１４では、制御線ＳＥＬと浮遊拡散領域ＦＤとのカップリングの影響は省略して波形を示した。後述する図１６、図１８、図２０においても同様である。また、以下、制御線ＳＥＬと浮遊拡散領域ＦＤとのカップリングには言及せずに説明する。
【０１５４】
図１４においてグローバルＰＤリセット［Ｂ］と記した期間の直前までの動作は、第１の実施形態において図１２を参照して説明した動作と同様であるので、説明を省略する。
【０１５５】
図１４においてグローバルＰＤリセット［Ｂ］と記した期間に、全行の制御線ＯＦＧを一括してハイレベルとする。これによって、全画素において光電変換部ＰＤのリセットが行われる。このとき、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は上昇する。上昇分の絶対値をΔＶcp_ofg1と表す。
【０１５６】
次いで、１行ずつ画素信号を読み出す。具体的には、読み出し対象となる行の制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。以下説明するように、この動作によって、信号レベルとリセットレベルの読出しが行われる。尚、説明の都合上、読み出し動作については、図１４においてグローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間において詳しく説明する。
【０１５７】
第０行目、第１行目については、光電変換部ＰＤのリセットが行われている間に読み出しが行われる。第２行目については、光電変換部ＰＤのリセットが終了した後のグローバル露光期間内に読み出しが行われる。説明の都合上、先ず、第０行目の画素１２の読み出し動作に注目して説明する。
【０１５８】
図１４においてグローバルＰＤリセット［Ｂ］と記す期間内に、制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。浮遊拡散領域ＦＤの電圧は、ＰＤからの電荷転送後の電圧、次いで、リセット後の電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬとなる。尚、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【０１５９】
その後、制御線ＳＥＬがハイレベルからローレベルに切り替わり、次いで、制御線ＯＦＧもハイレベルからローレベルに切り替わる。制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はカップリングによって降下する。降下分の絶対値をΔＶcp_ofg2と表す。従って、グローバルシャッター［Ｂ］と記す期間において、
浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞の電圧＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ΔＶcp_ofg2
である。尚、浮遊拡散領域ＦＤ＜１＞の電圧についても同様である。この電圧が、次フレームの電荷転送時における浮遊拡散領域ＦＤの基準電圧となる。
【０１６０】
そして、次の露光期間が経過した後、全行の制御線ＴＲＧを所定の期間ハイレベルとする（図１４においてグローバル転送［Ｂ］と記した）。これによって、転送トランジスタＴＲＧが導通状態となって、光電変換された電荷が浮遊拡散領域ＦＤに転送され、保持される。
【０１６１】
前フレームにおいて浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞の電圧が（ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ΔＶcp_ofg2）となった状態を基準として、光電変換部ＰＤから浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞に電荷が転送される。従って、定性的には、電荷転送後の浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞の電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞は、本来あるべき値よりも概ねΔＶcp_ofg2降下した値となる。電荷転送後の浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞の本来あるべき電圧値をＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞とすれば、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞−ΔＶcp_ofg2
である。
【０１６２】
図１４においてグローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の始期において、全行の制御線ＯＦＧを一括してハイレベルとする。このとき、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は上昇する。上昇分は上述したΔＶcp_ofg1である。
【０１６３】
そして、制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。以下説明するように、この動作によって、信号レベルとリセットレベルの読出しが行われる。
【０１６４】
信号レベルの読み出しにおいて、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は「ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＋ΔＶcp_ofg1」となる。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ている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図１４において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＋ΔＶcp_ofg1
≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞−ΔＶcp_ofg2＋ΔＶcp_ofg1
≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞
【０１６５】
信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧は、概ねＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞となる。従って、カップリングによる電圧変動が低減された状態で、信号レベルを読み出すことができる。
【０１６６】
次いで、制御線ＲＳＴ＜０＞が一定期間ハイレベルとされ、リセットトランジスタＲＳＴが導通状態となる。これによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ＜０＞が非導通状態となった後も、浮遊拡散領域ＦＤはリセットされた状態を維持する。このときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧もＲＳＴ＿ＬＶＬで表され、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【０１６７】
そして、浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬが増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介してリセットレベルを読み出す。図１２において、リセットレベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。リセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【０１６８】
信号線１６を介して読み出される信号レベル、リセットレベルは、それぞれ、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電圧によって制御される。カラム処理部１４は、リセットレベルと信号レベルとの差分を求め、それを映像信号ＶOUT＜０＞とする。増幅による利得を係数ｋAMPで表せば、基本的には、
ＶOUT＜０＞＝ｋAMP・（ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞）
と表される。上記の演算は２重サンプリング（ＤＤＳ)処理となる。
【０１６９】
以上、第０行目の読み出しについて説明した。第１行目の動作は、第０行目の動作と同様であるので、説明を省略する。
【０１７０】
次いで、第２行目の動作について説明する。
【０１７１】
第２行目は、光電変換部ＰＤのリセットが終了した後のグローバル露光期間内に読み出しが行われる点が相違する。しかしながら、図１４においてグローバルシャッター［Ｂ］と記す期間内の読み出し終了後は、
浮遊拡散領域ＦＤ＜２＞の電圧＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。この電圧が、次フレームの電荷転送時における浮遊拡散領域ＦＤの基準電圧となる。
【０１７２】
従って、図１４においてグローバル転送［Ｂ］と表した期間の後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞は、本来あるべき電圧値をＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞とすれば、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞＝ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞
である。
【０１７３】
次いで、図１４においてグローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の始期において、全行の制御線ＯＦＧは一括してローレベルからハイレベルとなる。そして、グローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の終期において、全行の制御線ＯＦＧは一括してハイレベルからローレベルとなる。
【０１７４】
従って、グローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の始期において、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はカップリングにより上昇し、グローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の終期において、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はカップリングにより下降する。従って、カップリングの影響は相殺され、グローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の経過後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧は、概ね従前のＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞に戻る。
【０１７５】
次いで、制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。以下説明するように、この動作によって、信号レベルとリセットレベルの読出しが行われる。
【０１７６】
信号レベルの読み出しにおいて、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は「ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞」となる。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ている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図１４において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜２＞≒ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞
≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞
【０１７７】
従って、第２行目においても、信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧は、概ねＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞となる。従って、カップリングによる電圧変動が低減された状態で、信号レベルを読み出すことができる。
【０１７８】
次いで、第１の実施形態において露光期間を可変としたときの動作とそれに伴う課題について説明する。
【０１７９】
図１５は、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子において、露光時間を可変とした場合の動作の概念図である。図１６は、露光時間を可変とした場合の課題を説明するための、模式的なタイミングチャートである。
【０１８０】
露光時間を可変とする構成にあっては、フレーム間において、ＰＤリセットの終了時のタイミング（換言すれば、グローバルシャッターの開始時のタイミング）が相違する場合がある。従って、例えば、或る行の読み出し処理が、直前フレームではＰＤ蓄積時に行われ、現フレームではＰＤリセット時に行われるといった場合がある。これに伴い、制御線ＯＦＧのカップリングの影響が低減されないといった現象が発生する。
【０１８１】
図１６は、露光時間を可変とした場合の課題を説明するための、模式的なタイミングチャートである。
【０１８２】
以下、図１６を参照して、詳しく説明する。図１６は、第０行目、第１行目については、グローバルＰＤリセット［Ｂ］で示す期間内、及び、グローバルＰＤリセット［Ｃ］で示す期間内に読み出しが行われ、第２行目については、グローバルシャッター［Ｂ］で示す期間内、及び、グローバルＰＤリセット［Ｃ］で示す期間内に読み出しが行われる場合を示した。
【０１８３】
第０行目と第１行目の動作は、図１４を参照して説明した動作と同様であるので、説明を省略する。以下、第２行目に注目して説明する。
【０１８４】
第２行目においても、図１６に示すグローバル転送［Ｂ］の終期までの動作は、図１４を参照して説明した動作と同様である。従って、グローバルシャッター［Ｂ］と記す期間内の読み出し終了後は、
浮遊拡散領域ＦＤ＜２＞の電圧＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
であり、グローバル転送［Ｂ］と表した期間の後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞は、本来あるべき電圧値をＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞とすれば、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞＝ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞
である。
【０１８５】
次いで、図１６においてグローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の始期において、全行の制御線ＯＦＧは一括してローレベルからハイレベルとなる。
【０１８６】
従って、グローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の始期において、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はカップリングにより上昇する。上昇分の絶対値をΔＶcp_ofg1と表せば、
浮遊拡散領域ＦＤの電圧は、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞＝ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞＋ΔＶcp_ofg1
である。
【０１８７】
次いで、制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。図１６において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜２＞＝ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞
＝ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞＋ΔＶcp_ofg1
である。
【０１８８】
従って、第２行目においては、信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極に印加される電圧は、カップリングによる上昇分ΔＶcp_ofg1の影響を受ける。これは、画質を劣化させる要因となる。
【０１８９】
以上説明したように、露光期間を可変とした構成にあっては、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングが十分に低減されないといったことが生じ得る。
【０１９０】
［第２の実施形態の動作の説明］
第２の実施形態にあっては、制御線ＯＦＧに供給する制御パルスを、読み出しのタイミングに併せて変調するといったことを特徴とする。これによって、露光期間を可変とした構成においても、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングが十分に低減される。
【０１９１】
第２の実施形態においても、図５に示した画素１２が用いられる。駆動部１３を構成する垂直駆動部１７が制御線ＯＦＧに供給する制御パルスが相違する他、第２の実施形態の固体撮像素子は、第１の実施形態と同様の同様である。
【０１９２】
第２の実施形態にあっては、
画素１２を制御する制御線には、撮像フレームに応じてタイミングが可変可能な制御信号が供給され、
駆動部１３は、有効な画素信号を読み出す際に、読み出し行として選択された画素行の制御線が毎フレーム全行同じ極性になるよう制御するための回路を備えている。
【０１９３】
画素１２を制御する制御線には、光電変換部ＰＤでの信号電荷の蓄積を行う露光期間が可変可能な制御信号が供給される。駆動部１３は、光電変換部ＰＤの初期化の開始から光電変換部ＰＤでの信号電荷の蓄積を開始するまでの期間の間に読出し対象となる画素行の選択トランジスタＳＥＬが導通状態となる場合に、当該画素行において、選択トランジスタＳＥＬが導通状態となるときに初期化トランジスタＯＦＧが非導通状態となるように初期化トランジスタＯＦＧを制御するための回路を備えている。
【０１９４】
駆動部１３を構成する垂直駆動部１７の構成においては、後述する図２１および図２２を参照して、後で詳しく説明する。
【０１９５】
図１７は、本開示の第２の実施形態に係る固体撮像素子において、各行の制御線ＯＦＧに供給される信号を説明するための、模式的なタイミングチャートである。
【０１９６】
第２の実施形態においても、基本的には、一括リセットと一括露光によって、所謂グローバル露光が行われる。但し、一括のＰＤリセット期間中において読み出しが行われる行にあっては、読み出し期間に同期してＯＦＧ制御信号をローレベルにするといった動作を行う。尚、図１７に第（ｎ＋２）行はグローバルシャッターが発動する際に選択されている行となるが、この場合は有効な画素信号として読み出さない行を選択する。
【０１９７】
以下、図１８を参照して、第２の実施形態の動作について説明する。図１８では、上述した図１６と同様に、第０行目、第１行目については、グローバルＰＤリセット［Ｂ］で示す期間内、及び、グローバルＰＤリセット［Ｃ］で示す期間内に読み出しが行われ、第２行目については、グローバルシャッター［Ｂ］で示す期間内、及び、グローバルＰＤリセット［Ｃ］で示す期間内に読み出しが行われる場合を示した。
【０１９８】
図１８においてグローバルＰＤリセット［Ｂ］と記した期間の直前までの動作は、第１の実施形態において図１２を参照して説明した動作と同様であるので、説明を省略する。
【０１９９】
図１８においてグローバルＰＤリセット［Ｂ］と記した期間に、全行の制御線ＯＦＧを一括してハイレベルとする。これによって、全画素において光電変換部ＰＤのリセットが行われる。但し、第０行目にあっては制御線ＳＥＬ＜０＞がハイレベルとなる期間に同期して制御線ＯＦＧ＜０＞はローレベルとされ、第１行目にあっては制御線ＳＥＬ＜１＞がハイレベルとなる期間に同期して制御線ＯＦＧ＜１＞はローレベルとされる。
【０２００】
第０行目、第１行目については、グローバルＰＤリセット［Ｂ］で示す期間内、及び、グローバルＰＤリセット［Ｃ］で示す期間内に読み出しが行われる。読み出し動作については、図１８においてグローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間において詳しく説明する。説明の都合上、第０行目の画素１２の読み出し動作に注目して説明する。
【０２０１】
図１８においてグローバルＰＤリセット［Ｂ］と記す期間内に、制御線ＳＥＬを、所定の期間ハイレベルとする。これによって、増幅トランジスタＡＭＰは導通状態の選択トランジスタＳＥＬを介して信号線１６に接続される。そして、その期間内に、制御線ＲＳＴを一定期間ハイレベルとする。浮遊拡散領域ＦＤの電圧は、ＰＤからの電荷転送後の電圧、次いで、リセット後の電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬとなる。尚、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【０２０２】
その後、制御線ＳＥＬのハイレベルからローレベルへの切り替わりに同期して制御線ＯＦＧはローレベルからハイレベルに切り替わる。制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は上昇する。しかしながら、グローバルシャッター［Ｂ］と記す期間の終期において、制御線ＯＦＧはハイレベルからローレベルに切り替わる。制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は下降する。従って、カップリングによる変化は相殺され、グローバルシャッター［Ｂ］と記す期間の経過後、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は、ＲＳＴ＿ＬＶＬに戻る。この電圧が、次フレームの電荷転送時における浮遊拡散領域ＦＤの基準電圧となる。
【０２０３】
そして、次の露光期間が経過した後、全行の制御線ＴＲＧを所定の期間ハイレベルとする（図１８においてグローバル転送［Ｂ］と記した）。これによって、転送トランジスタＴＲＧが導通状態となって、光電変換された電荷が浮遊拡散領域ＦＤに転送され、保持される。
【０２０４】
前フレームにおいて浮遊拡散領域ＦＤ＜０＞の電圧がＲＳＴ＿ＬＶＬとなった状態を基準として、光電変換部ＰＤから浮遊拡散領域に電荷が転送される。グローバル転送［Ｂ］と表した期間の後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞は、本来あるべき電圧値をＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞とすれば、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞＝ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞
である。
【０２０５】
そして、図１８においてグローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の始期において、全行の制御線ＯＦＧは一括してローレベルからハイレベルとなる。但し、制御線ＯＦＧ＜０＞にあっては、制御線ＳＥＬ＜０＞がハイレベルとなる期間に同期して制御線ＯＦＧ＜０＞はローレベルとされる。
【０２０６】
グローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の始期において、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は上昇する。しかしながら、制御線ＳＥＬのローレベルからハイレベルへの切り替わりに同期して制御線ＯＦＧはハイレベルからローレベルに切り替わるので、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は下降する。従って、信号レベルの読み込みの際には、カップリングによる変化は相殺され、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は概ねＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞となる。この電圧が増幅トランジスタのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図１８において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞≒ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜０＞
≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜０＞
である。
【０２０７】
次いで、制御線ＲＳＴ＜０＞が一定期間ハイレベルとされ、リセットトランジスタＲＳＴが導通状態となる。これによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ＜０＞が非導通状態となった後も、浮遊拡散領域ＦＤはリセットされた状態を維持する。このときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧もＲＳＴ＿ＬＶＬで表され、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【０２０８】
そして、浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬが増幅トランジスタのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介してリセットレベルを読み出す。図１８において、リセットレベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。リセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタのゲート電極に印加される電圧をＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞と表せば、
ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜０＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【０２０９】
信号線１６を介して読み出される信号レベル、リセットレベルは、それぞれ、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電圧によって制御される。カラム処理部１４は、リセットレベルと信号レベルとの差分を求め、それを映像信号ＶOUT＜０＞とする。増幅による利得を係数ｋAMPで表せば、基本的には、
ＶOUT＜０＞＝ｋAMP・（ＲＳＴ＿ＬＶＬ−ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞）
と表される。上記の演算は２重サンプリング（ＤＤＳ)処理となる。
【０２１０】
以上、第０行目の読み出しについて説明した。第１行目の動作は、第０行目の動作と同様であるので、説明を省略する。
【０２１１】
次いで、第２行目の動作について説明する。図１８に示すグローバル転送［Ｂ］の終期までの動作は、図１４を参照して説明した動作と同様である。従って、グローバルシャッター［Ｂ］と記す期間内の読み出し終了後は、
浮遊拡散領域ＦＤ＜２＞の電圧＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
であり、グローバル転送［Ｂ］と表した期間の後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞は、本来あるべき電圧値をＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞とすれば、
ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞＝ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞
である。
【０２１２】
次いで、図１８においてグローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の始期において、全行の制御線ＯＦＧは一括してローレベルからハイレベルとなる。
【０２１３】
従って、グローバルＰＤリセット［Ｃ］と記す期間の始期において、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はカップリングにより上昇する。しかしながら、制御線ＳＥＬのローレベルからハイレベルへの切り替わりに同期して制御線ＯＦＧはハイレベルからローレベルに切り替わるので、制御線ＯＦＧと浮遊拡散領域ＦＤのカップリングによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は下降する。従って、信号レベルの読み込みの際には、カップリングによる変化は相殺され、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は概ねＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞となる。この電圧が増幅トランジスタのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介して信号レベルを読み出す。図１８において、信号レベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタのゲート電極に印加される電圧をＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜２＞と表せば、
ＳＩＧ＿ＲＥＡＤ＜０＞≒ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞
≒ＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞
である。
【０２１４】
次いで、制御線ＲＳＴ＜２＞が一定期間ハイレベルとされ、リセットトランジスタＲＳＴが導通状態となる。これによって、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はリセットされる。リセットトランジスタＲＳＴ＜２＞が非導通状態となった後も、浮遊拡散領域ＦＤはリセットされた状態を維持する。このときの浮遊拡散領域ＦＤの電圧もＲＳＴ＿ＬＶＬで表され、基本的には、ＲＳＴ＿ＬＶＬ＝ＶDDである。
【０２１５】
そして、浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＲＳＴ＿ＬＶＬが増幅トランジスタのゲート電極に印加されている状態で、信号線１６を介してリセットレベルを読み出す。図１８において、リセットレベルの読み出しのタイミングを矢印で示した。リセットレベルの読み出しにおいて増幅トランジスタのゲート電極に印加される電圧をＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜２＞と表せば、
ＲＳＴ＿ＲＥＡＤ＜２＞＝ＲＳＴ＿ＬＶＬ
である。
【０２１６】
従って、第２行目においても、信号レベルの読み出しにおいて増幅トランジスタのゲート電極に印加される電圧は、概ねＳＩＧ＿ＲＥＦ＜２＞となる。従って、カップリングによる電圧変動が低減された状態で、信号レベルを読み出すことができる。即ち、露光期間のタイミングが直前フレームと現フレームとで変わっても、カップリングによる影響を低減して信号レベルを読み出すことができる。
【０２１７】
なお、グローバルシャッターの発動時には、全行一斉に動作することによって電源電圧の変動や制御線の信号変動などが生ずることが考えられる。したがって、図１９に示すように、信号変動が納まるまでの間、有効な画素信号として読み出さない行を選択して空読みするといったことを行ってもよい。図２０に、第１行目の読み出しと第２行目の読み出しとの間に１行分の空読みを行った例を示す。
【０２１８】
次いで、第２の実施形態における垂直駆動部１７の構成例について説明する。
【０２１９】
制御線ＯＦＧは、基本的には同じタイミングで一括して駆動する必要がある。図２１は、制御線ＯＦＧの制御のための一括制御回路を共通に設けた垂直駆動部の構造を説明するための、模式的なブロック図である。
【０２２０】
垂直駆動部１７は、制御線ＯＦＧの制御のための一括制御回路１７Ａ、及び、画素行毎に対応して設けられた行単位駆動回路１７Ｂを備えている。図に示す例では、同時性の向上のため一括制御回路１７Ａを上側と下側に一対設けているが、片側のみでもよい。この構成は、回路規模を抑えて小面積化を測ることができる利点を備えている。
【０２２１】
行単位駆動回路１７Ｂは、画素制御回路１７Ｃ、判定回路１７Ｄ、及び、ＯＦＧ制御回路１７Ｅを備えている。画素制御回路１７Ｃは、制御線ＴＲＸ、ＴＲＧ，ＲＳＴ，ＳＥＬに制御信号を供給する。
【０２２２】
ＯＦＧ制御回路１７Ｅには、一括制御回路１７Ａから基本的なＯＦＧ制御信号が供給される。判定回路１７Ｄは、ＯＦＧ制御信号がハイレベルである期間内に制御線ＳＥＬがハイレベルとなるか否かを判断する。ＯＦＧ制御回路は、判定回路１７Ｄの判定結果に基づいて、一括制御回路１７Ａからの基本的なＯＦＧ制御信号がハイレベルである期間内に制御線ＳＥＬがハイレベルとなる場合には、その期間に同期してＯＦＧ制御信号がローレベルになるようにして、制御線ＯＦＧに信号を供給する。
【０２２３】
また、垂直駆動部１７の他の構成例について説明する。図２２は、一括制御回路を各行に対応して個別に設けた垂直駆動部の構造を説明するための、模式的なブロック図である。
【０２２４】
この構成では、行単位駆動回路１７Ｂのそれぞれに、一括制御回路１７Ａが組み込まれている。画素制御回路１７Ｃ、判定回路１７Ｄ、及び、ＯＦＧ制御回路１７Ｅの動作は、図２１を参照して説明したのと同様の動作である。
【０２２５】
図２１に示す構成では、一括制御回路１７Ａからの信号が遅延する程度が、行単位駆動回路１７Ｂの位置に応じて変わる。一方、図２２に示す構成では、行単位駆動回路１７Ｂの位置に係らず、一括制御回路１７Ａからの信号は略同じタイミングで供給される。従って、図２２に示す構成は、制御線に供給される信号の精度を高められるといった利点を備えている。
【０２２６】
［第３の実施形態］
第３の実施形態も、本開示に係る、固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法、及び、電子機器に関する。
【０２２７】
図２３は、第３の実施形態に関する固体撮像素子の動作の模式図である。
【０２２８】
第２の実施形態に説明において、直前フレームと現フレームとで制御線ＯＦＧの極性が同じであれば、カップリングの影響が低減できることを説明した。従って、図３に示すように、ＰＤリセット期間の始期を遅らせることでＰＤリセット期間長を短く設定し、かつ、ＰＤリセット期間には有効な画素信号として読み出さない空読み行うことで、信号レベルおよびリセットレベルの読み出し時には全行およびフレーム間で制御線ＯＦＧの極性が変化しないようにすることができる。
【０２２９】
図２４は、第３の実施形態を説明するための模式的なタイミングチャートである。
【０２３０】
図２４に示すように、第０行目ないし第２行目において、読み出し期間の経過後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧はＲＳＴ＿ＬＶＬである。グローバルＰＤリセットの始期において制御線ＯＦＧがローレベルからハイレベルに切り替わり、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はカップリングにより上昇する。しかしながら、グローバルシャッターの終期において制御線ＯＦＧがハイレベルからローレベルに切り替わり、浮遊拡散領域ＦＤの電圧はカップリングにより下降する。よって、カップリングの影響は相殺され、浮遊拡散領域ＦＤの電圧は概ねＲＳＴ＿ＬＶＬに戻る。
【０２３１】
従って、第０行目ないし第２行目のいずれについても、浮遊拡散領域ＦＤの電圧がＲＳＴ＿ＬＶＬの状態で、グローバル転送が行われる。グローバル転送後の浮遊拡散領域ＦＤの電圧ＳＩＧ＿ＬＶＬ＜２＞は、本来あるべき電圧値となる。
【０２３２】
尚、グローバルシャッターの発動時には、全行一斉に動作することによって電源電圧の変動や制御線の信号変動などが生ずることが考えられる。図１９を参照して説明したように、信号変動が納まるまでの間、有効な画素信号として読み出さない行を選択して空読みするといったことを行ってもよい。
【０２３３】
また、第３の実施形態は、初期化トランジスタＯＦＧが非導通状態となる期間が長くなる。従って、この期間内において光電変換された電荷が浮遊拡散領域ＦＤに漏れ出してブルーミングが生じないように、駆動タイミングを設定することが好ましい。
【０２３４】
以上、本開示を好ましい実施形態に基づき説明したが、本開示はこれらの実施形態に限定されるものではない。上記の各実施形態において説明した固体撮像素子の構成、構造は例示であり、適宜、変更することができる。
【０２３５】
また、本開示の技術は、白黒の固体撮像素子やベイヤー配列の固体撮像素子など、固体撮像素子のフォーマットによらず適用可能である。
【０２３６】
＜本開示の構成＞
尚、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
［Ａ１］
光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素がマトリクス状に配列されて成る画素アレイ部、及び、
画素アレイ部を駆動する駆動部、
を有しており、
駆動部は、
画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域が所定の電圧にリセットされた状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、
次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出し、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する、
固体撮像素子。
［Ａ２］
画素を制御する制御線には、撮像フレームに関わらず同じタイミングで変化する制御信号が供給される、
上記［Ａ１］に記載の固体撮像素子。
［Ａ３］
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
ゲート電極に浮遊拡散領域の電圧が印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
画素を制御する制御線は、初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタのそれぞれに対応して設けられており、
転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタの導通／非導通は、直前フレームと現フレームとにおいて同じタイミングで制御される、
上記［Ａ２］に記載の固体撮像素子。
［Ａ４］
画素を制御する制御線には、撮像フレームに応じてタイミングが可変可能な制御信号が供給され、
駆動部は、有効な画素信号を読み出す際に、読み出し行として選択された画素行の制御線が毎フレーム全行同じ極性になるよう制御するための回路を備えている、
上記［Ａ１］に記載の固体撮像素子。
［Ａ５］
画素を制御する制御線には、光電変換部での信号電荷の蓄積を行う露光期間が可変可能な制御信号が供給される、
上記［Ａ４］に記載の固体撮像素子。
［Ａ６］
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
浮遊拡散領域の電圧がゲート電極に印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
駆動部は、
光電変換部の初期化の開始から光電変換部での信号電荷の蓄積を開始するまでの期間の間に読出し対象となる画素行の選択トランジスタが導通状態となる場合に、当該画素行において、選択トランジスタが導通状態となるときに初期化トランジスタが非導通状態となるように初期化トランジスタを制御するための回路を備えている、
な制御信号が供給される、
上記［Ａ５］に記載の固体撮像素子。
【０２３７】
［Ｂ１］
光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素がマトリクス状に配列されて成る画素アレイ部を有している固体撮像素子の駆動方法であって、
画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出す工程、及び、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する工程、
を含む、
固体撮像素子の駆動方法。
［Ｂ２］
画素を制御する制御線に、撮像フレームに関わらず同じタイミングで変化する制御信号を供給する、
上記［Ｂ１］に記載の固体撮像素子の駆動方法。
［Ｂ３］
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
ゲート電極に浮遊拡散領域の電圧が印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
画素を制御する制御線は、初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタのそれぞれに対応して設けられており、
初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタの導通／非導通を、直前フレームと現フレームとにおいて同じタイミングで制御する、
上記［Ｂ２］に記載の固体撮像素子の駆動方法。
［Ｂ４］
画素を制御する制御線に、撮像フレームに応じてタイミングが可変可能な制御信号を供給し、
有効な画素信号を読み出す際に、読み出し行として選択された画素行の制御線が毎フレーム全行同じ極性になるよう制御する、
上記［Ｂ１］に記載の固体撮像素子の駆動方法。
［Ｂ５］
画素を制御する制御線に、光電変換部での信号電荷の蓄積を行う露光期間が可変可能な制御信号を供給する、
上記［Ｂ４］に記載の固体撮像素子の駆動方法。
［Ｂ６］
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
浮遊拡散領域の電圧がゲート電極に印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
光電変換部の初期化の開始から光電変換部での信号電荷の蓄積を開始するまでの期間の間に読出し対象となる画素行の選択トランジスタが導通状態となる場合に、当該画素行において、選択トランジスタが導通状態となるときに初期化トランジスタが非導通状態となるように初期化トランジスタを制御する、
上記［Ｂ５］に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【０２３８】
［Ｃ１］
光電変換部と光電変換された電荷が転送される浮遊拡散領域とを有する画素がマトリクス状に配列されて成る画素アレイ部、及び、
画素アレイ部を駆動する駆動部、
を有しており、
駆動部は、
画素アレイ部の画素を行毎に順次走査して全画素の読み出しを行う期間内に、全画素の光電変換部を初期化し、次いで、全画素において同時に光電変換部での信号電荷の蓄積を行うことによってグローバル露光を行うと共に、
現フレームの撮像において、
直前フレームにおいて浮遊拡散領域が所定の電圧にリセットされた状態で、光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送し、その後、電荷に対応する電圧を信号レベルとして浮遊拡散領域から読み出し、
次いで、浮遊拡散領域を所定の電圧にリセットした後の電圧をリセットレベルとして読み出し、
信号レベルとリセットレベルとの差分を算出して画素信号を生成する、
固体撮像素子を備えた電子機器。
［Ｃ２］
画素を制御する制御線には、撮像フレームに関わらず同じタイミングで変化する制御信号が供給される、
上記［Ｃ１］に記載の電子機器。
［Ｃ３］
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
ゲート電極に浮遊拡散領域の電圧が印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
画素を制御する制御線は、初期化トランジスタ、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタのそれぞれに対応して設けられており、
転送トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、選択トランジスタの導通／非導通は、直前フレームと現フレームとにおいて同じタイミングで制御される、
上記［Ｃ２］に記載の電子機器。
［Ｃ４］
画素を制御する制御線には、撮像フレームに応じてタイミングが可変可能な制御信号が供給され、
駆動部は、有効な画素信号を読み出す際に、読み出し行として選択された画素行の制御線が毎フレーム全行同じ極性になるよう制御するための回路を備えている、
上記［Ｃ１］に記載の電子機器。
［Ｃ５］
画素を制御する制御線には、光電変換部での信号電荷の蓄積を行う露光期間が可変可能な制御信号が供給される、
上記［Ｃ４］に記載の電子機器。
［Ｃ６］
各画素は、更に、
光電変換部に所定の電圧を印加するための初期化トランジスタ、
光電変換された電荷を浮遊拡散領域に転送するための転送トランジスタ、
浮遊拡散領域に所定の電圧を印加するためのリセットトランジスタ、
浮遊拡散領域の電圧がゲート電極に印加される増幅トランジスタ、及び、
増幅トランジスタと信号線とを接続するための選択トランジスタ、
を含んでおり、
駆動部は、
光電変換部の初期化の開始から光電変換部での信号電荷の蓄積を開始するまでの期間の間に読出し対象となる画素行の選択トランジスタが導通状態となる場合に、当該画素行において、選択トランジスタが導通状態となるときに初期化トランジスタが非導通状態となるように初期化トランジスタを制御するための回路を備えている、
な制御信号が供給される、
上記［Ｃ５］に記載の電子機器。
【符号の説明】
【０２３９】
１０・・・固体撮像素子、１１・・・画素アレイ部、１２・・・画素、１３・・・駆動部、１４・・・カラム処理部、１５・・・水平駆動部、１６・・・信号線、１７・・・垂直駆動部、１７Ａ・・・一括制御回路、１７Ｂ・・・行単位駆動回路、１７Ｃ・・・画素制御回路、１７Ｄ・・・判定回路、１７Ｅ・・・ＰＤ初期化トランジスタ制御回路、１８・・・制御線、ＰＤ・・・光電変換部（フォトダイオード）
ＦＤ・・・浮遊拡散領域、ＭＥＭ・・・メモリ部、ＯＦＧ・・・初期化トランジスタ、ＴＲＧ・・・転送トランジスタ、ＴＲＸ・・・メモリ部用転送トランジスタ、ＲＳＴ・・・リセットトランジスタ、ＡＭＰ・・・増幅トランジスタ、ＳＥＬ・・・選択トランジスタ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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