(57)【要約】【課題】  高画質の画像を得ることができると共に、画素サイズを小型化できる増幅型固体撮像装置を提供する。【解決手段】フォトダイオード１と転送トランジスタ２とを有する複数の光電変換転送部１０が所定数毎に分けられた光電変換転送部群の各転送トランジスタ２の出力側にスイッチトキャパシタアンプ部２０の入力側が接続され、スイッチトキャパシタアンプ部２０の出力側が垂直信号線９に接続される。上記スイッチトキャパシタアンプ部２０は、信号電荷蓄積部８と、信号電荷蓄積部８が入力側に接続された増幅トランジスタ３と、増幅トランジスタ３の入出力間に接続されたキャパシタ６およびリセットトランジスタ５とを有している。上記増幅トランジスタ３の出力側と垂直信号線９を介して接続された定電流負荷トランジスタ４と増幅トランジスタ３とで構成された反転増幅器の接地端子の電位を垂直走査回路２５により制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、
上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、
上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続され、出力側が上記信号線に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたリセットトランジスタとを有し、
上記制御部によって、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記反転増幅器を構成する上記電源側負荷は、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項７】
光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、
上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、
上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続され、出力側が上記信号線に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入力部と一定電位が印加された電位部との間に接続されたリセットトランジスタとを有し、
上記制御部によって、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項８】
請求項７に記載の増幅型固体撮像装置において
上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項９】
請求項７に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１１】
請求項７に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１２】
請求項７に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記電位部に印加された上記一定電位は、上記反転増幅器の上記増幅トランジスタと同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から出力されていることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１３】
請求項７に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記一定電位が印加された電位部は、全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターンであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項７に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記反転増幅器を構成する上記電源側負荷は、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１５】
光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、
上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、
上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、
上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、
上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入力部と電位制御線との間に接続されたリセットトランジスタとを有し、
上記制御部によって、上記リセットトランジスタをオンして上記電位制御線の電位を制御することにより、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の入力部の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記電位制御線の電位を制御することにより上記反転増幅器の入力部の電位を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１８】
請求項１５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、
上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電圧を制御することを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子と上記電位制御線を接続していることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項２０】
請求項１５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記電位制御線に印加される電位は、上記反転増幅器の上記増幅トランジスタと同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から出力されていることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項２１】
請求項１５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記反転増幅器の接地端子は、全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターンであることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項２２】
請求項１５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記反転増幅器を構成する電源側負荷は、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、増幅型固体撮像装置に関し、ノイズの少ない増幅型固体撮像装置を小画素サイズで実現する手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、増幅型固体撮像装置としては、増幅機能を持たせた画素部とその画素部の周辺に走査回路を有し、その走査回路により画素データを読み出す増幅型固体撮像装置が提案されている。特に、画素構成を周辺の駆動回路および信号処理回路と一体化するのに有利なＣＭＯＳ(コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)により構成されたＡＰＳ(Active Pixel Sensor)型イメージセンサが知られている。
【０００３】
上記ＡＰＳ型イメージセンサは、通常１画素内に光電変換部と増幅部と画素選択部およびリセット部を形成する必要がある。このため、ＡＰＳ型イメージセンサには、通常フォトダイオードからなる光電変換部の他に、３〜４個のＭＯＳトランジスタが用いられる。
【０００４】
ところが、１画素当たり３〜４個のＭＯＳトランジスタが必要であれば、画素サイズの小型化の制約となるため、１画素当たりのトランジスタの数を低減する方法が提案されている(例えば、特開平９−４６５９６号公報(特許文献１)参照)。
【０００５】
図１４は、上記１画素当たりのトランジスタの数を低減する増幅型固体撮像装置の要部の回路図を示しており、この増幅型固体撮像装置は、フォトダイオード１０１と、そのフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷を転送するための転送トランジスタ１０２と、リセットトランジスタ１３１と、増幅用トランジスタ１３２と、画素選択用トランジスタ１３３とによって構成されている。ここで、フォトダイオード１０１は埋め込み型とし、フォトダイオード１０１からの信号電荷転送を完全とすれば、極めて低ノイズ化でき、高画質の画像を得ることが可能となることが知られている。
【０００６】
図１４に示す増幅型固体撮像装置の動作を図１５のタイミング図に示す。
【０００７】
図１５に示すように、期間Ｔ１では、共通のリセットトランジスタ１３１のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がハイレベルとなってリセットトランジスタ１３１がオン状態となり、ゲート下のポテンシャル電位が上がるため、共通の信号電荷蓄積部１０８により共通のリセットトランジスタ１３１のドレイン側に電荷移動が起こり、信号電荷蓄積部１０８の電位が電源電位ＶＤＤにリセットされる。
【０００８】
次の期間Ｔ２では、共通のリセットトランジスタ１３１のゲートに印加される駆動パルスφR(m)がローレベルとなってリセットトランジスタ１３１がオフ状態となるが、共通の画素選択用トランジスタ１３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルとなって画素選択用トランジスタ１３３がオン状態のため、リセットレベルが共通の増幅用トランジスタ１３２を介して信号線１３５に読み出される。このとき増幅用トランジスタ１３２と定電流負荷トランジスタ１３４とでソースフォロワ回路を形成している。
【０００９】
次の期間Ｔ３では、共通の画素選択用トランジスタ１３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がローレベルとなって画素選択用トランジスタ１３３がオフ状態となり、第ｍ行の転送トランジスタ１０２のゲートに印加される駆動パルスφT(m,1)がハイレベルとなってオン状態となり、ゲートのポテンシャルが上がるため、第(m,1)行のフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷が信号電荷蓄積部１０８に転送される。
【００１０】
次の期間Ｔ４では、第(m,1)行の転送トランジスタ１０２のゲートに印加される駆動パルスφT(m,1)はローレベルとなって転送トランジスタ１０２がオフ状態となるが、共通の信号電荷蓄積部１０８では信号電荷転送時の電位が保持され、共通の画素選択用トランジスタ１３３のゲートに印加される駆動パルスφS(m)がハイレベルとなってオン状態のため、第(m,1)行の信号レベルが共通の増幅用トランジスタ１３２を介して信号線１３５に読み出される。
【００１１】
そうして、１水平走査期間(１Ｈ)後、第(m,2)行目の画素に対して、第ｍ+１行のフォトダイオード１０１からの信号電荷が、第(m,2)行の転送トランジスタ１０２を介して、共通のリセットトランジスタ１３１、増幅用トランジスタ１３２、画素選択用トランジスタ１３３に導かれ、上記期間Ｔ１〜Ｔ４における同様の動作が行われる。
【００１２】
以上の構成および動作において、２画素あたり１個の共通部とすると、２.５トランジスタ／画素、４画素あたり１個の共通部とすると、１.７５トランジスタ／画素となる。すなわち、これらの例では１画素あたりのトランジスタの数を削減することができる。
【００１３】
しかしながら、上記従来の増幅型固体撮像装置では、構成および動作において次のような問題が生じる。すなわち、フォトダイオード１０１からの信号電荷△Ｑsigを電圧信号△Ｖsigに変換する電荷電圧変換効率ηは、共通の信号電荷蓄積部１０８の容量をＣFDとすると、
η＝Ｇ・△Ｖsig／△Ｑsig＝Ｇ／ＣFD
となる。ここで、Ｇは、増幅用トランジスタ１３２と定電流負荷トランジスタ１３４とで構成されるソースフォロワ回路のゲインであり、通常１より若干小さい値(０.８〜０.９)を示す。ηを大きくするにはＣFDを小さくする必要がある。上記信号電荷蓄積部１０８の容量ＣFDは、信号電荷蓄積部１０８に接続された転送トランジスタ１０２のドレイン側接合容量と増幅トランジスタ１３２のゲート容量および基板とのジャンクション容量の総和である。従って、共通の信号電荷蓄積部に接続されるフォトダイオードおよび転送トランジスタの数が多くなるほど、電荷電圧変換率ηは低下するという問題がある。
【特許文献１】特開平９−４６５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、高画質の画像を得ることができると共に、画素サイズを小型化できる増幅型固体撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、この発明の増幅型固体撮像装置は、光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続され、出力側が上記信号線に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたリセットトランジスタとを有し、上記制御部によって、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする。
【００１６】
上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、上記制御部によって、光電変換転送部群の夫々において、スイッチトキャパシタアンプ部により光電変換転送部群毎に転送トランジスタを介して光電変換素子から信号を読み出すように、転送トランジスタとスイッチトキャパシタアンプ部を制御する。この光電素子から信号を読み出す時、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御し、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側の電位を深くすることにより信号電荷の転送を完全化することが可能となる。また、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わないとき、上記制御部が、増幅トランジスタと電源側負荷で構成された反転増幅器の接地端子の電位をハイレベルにすることにより、反転増幅器が動作しないようにして、スイッチトキャパシタアンプ部の出力が選択されないようにする(スイッチトキャパシタアンプ部から信号線に信号が出力されない)。
【００１７】
このように、上記光電変換転送部群の夫々の複数の画素に対して共通の増幅回路(信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部)を備えることにより、１画素当りのトランジスタ数を削減することが可能となる。また、上記増幅回路をスイッチトキャパシタ型とすることにより、信号電荷蓄積部の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換ゲインを高めることができる。したがって、簡単な構成で、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズの小型化ができる。
【００１８】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする。
【００１９】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、埋め込み型のフォトダイオードからの信号電荷転送を完全とすることによって、低ノイズ化されたより高画質の画像を得ることができる。
【００２０】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部が、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする。
【００２１】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出しを行わない期間、制御部によって反転増幅器の接地端子の電位を制御して反転増幅器が動作しないようにすることにより、スイッチトキャパシタアンプ部から信号線に信号が出力されないので、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数を削減することが可能となる。
【００２２】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記スイッチトキャパシタアンプ部が、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする。
【００２３】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、光電変換素子から転送トランジスタを介して信号電荷蓄積部に電荷を転送するとき、制御部によって、昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子電位を制御して反転増幅器の入力側の信号電荷蓄積部のポテンシャルを深くし、信号電荷の転送を容易にする。これにより、特に光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードの場合、フォトダイオードから信号電荷蓄積部への電荷転送を完全にすることが可能となり、読み出しノイズを大幅に低減することが可能となる。
【００２４】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部が、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする。
【００２５】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、光電変換素子から転送トランジスタを介して信号電荷蓄積部に電荷を転送する期間、制御部によって反転増幅器の接地端子の電位を制御して反転増幅器が動作しないようにすることにより、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数を削減することが可能となる。
【００２６】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記反転増幅器を構成する上記電源側負荷が、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることが望ましい。
【００２７】
また、この発明の増幅型固体撮像装置は、光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続され、出力側が上記信号線に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入力部と一定電位が印加された電位部との間に接続されたリセットトランジスタとを有し、上記制御部によって、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする。
【００２８】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記制御部によって、光電変換転送部群の夫々において、スイッチトキャパシタアンプ部により光電変換転送部群毎に転送トランジスタを介して光電変換素子から信号を読み出すように、転送トランジスタとスイッチトキャパシタアンプ部を制御する。この光電素子から信号を読み出す時、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御し、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側の電位を深くすることにより信号電荷の転送を完全化することが可能となる。また、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わないとき、上記制御部が、増幅トランジスタと電源側負荷で構成された反転増幅器の接地端子の電位をハイレベルにすることにより、反転増幅器が動作しないようにして、スイッチトキャパシタアンプ部の出力が選択されないようにする(そのスイッチトキャパシタアンプ部から信号線に信号が出力されない)。また、上記リセットトランジスタをオンして信号電荷蓄積部の電位をリセットするとき、例えば一定電位が印加された電位部に全画素共通の遮光用パターンを用いることにより、信号電荷蓄積部のリセット時の電位を全画素について同一の一定電位に設定でき、画素間の基準電位のばらつきを低減できる。
【００２９】
このように、上記光電変換転送部群の夫々の複数の画素に対して共通の増幅回路(信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部)を備えることにより、１画素当りのトランジスタ数を削減することが可能となる。また、上記増幅回路をスイッチトキャパシタ型とすることにより、信号電荷蓄積部の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換ゲインを高めることができる。したがって、簡単な構成で、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズの小型化ができる。
【００３０】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする。
【００３１】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、埋め込み型のフォトダイオードからの信号電荷転送を完全とすることによって、低ノイズ化されたより高画質の画像を得ることができる。
【００３２】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部が、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする。
【００３３】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出しを行わない期間、制御部によって反転増幅器の接地端子の電位を制御して反転増幅器が動作しないようにすることにより、スイッチトキャパシタアンプ部から信号線に信号が出力されないので、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数を削減することが可能となる。
【００３４】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記スイッチトキャパシタアンプ部が、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御することを特徴とする。
【００３５】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、光電変換素子から転送トランジスタを介して信号電荷蓄積部に電荷を転送するとき、制御部によって、昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子電位を制御して反転増幅器の入力側の信号電荷蓄積部のポテンシャルを深くし、信号電荷の転送を容易にする。これにより、特に光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードの場合、フォトダイオードから信号電荷蓄積部への電荷転送を完全にすることが可能となり、読み出しノイズを大幅に低減することが可能となる。
【００３６】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部が、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記反転増幅器が動作しないように、上記反転増幅器の接地端子の電位を制御することを特徴とする。
【００３７】
上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、光電変換素子から転送トランジスタを介して信号電荷蓄積部に電荷を転送する期間、制御部によって反転増幅器の接地端子の電位を制御して反転増幅器が動作しないようにすることにより、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数を削減することが可能となる。
【００３８】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記電位部に印加された上記一定電位が、上記反転増幅器の上記増幅トランジスタと同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から出力されていることを特徴とする。
【００３９】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記反転増幅器の上記増幅トランジスタと同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から上記一定電位を出力することにより、プロセスバラツキや温度変化、電源電圧変動などの影響を受けず、常に最適値の一定電位を発生できる。
【００４０】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記一定電位が印加された電位部が、全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターンであることを特徴とする。
【００４１】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターンを上記一定電位が印加された電位部として用いることによって、別に配線を設けることなく、全画素の増幅トランジスタの入力部にリセットトランジスタを介して一定電位を印加することが容易にできる。
【００４２】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記反転増幅器を構成する上記電源側負荷が、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることが望ましい。
【００４３】
また、この発明の増幅型固体撮像装置は、光電変換素子と上記光電変換素子の信号電荷を転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部が画素毎に設けられた増幅型固体撮像装置であって、上記画素毎に設けられた複数の光電変換転送部が所定数毎の光電変換転送部群に分けられ、上記光電変換転送部群に夫々設けられ、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に入力側が接続され、出力側が信号線に接続されたスイッチトキャパシタアンプ部と、上記スイッチトキャパシタアンプ部の出力側と上記信号線を介して接続された電源側負荷と、上記転送トランジスタと上記スイッチトキャパシタアンプ部を制御する制御部とを備え、上記スイッチトキャパシタアンプ部は、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側が接続された信号電荷蓄積部と、上記信号電荷蓄積部が入力側に接続された増幅トランジスタと、上記増幅トランジスタの入出力間に接続されたキャパシタンス素子と、上記増幅トランジスタの入力部と電位制御線との間に接続されたリセットトランジスタとを有し、上記制御部によって、上記リセットトランジスタをオンして上記電位制御線の電位を制御することにより、上記スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタと上記電源側負荷で構成された反転増幅器の入力部の電位を制御することを特徴とする。
【００４４】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記制御部によって、光電変換転送部群の夫々において、スイッチトキャパシタアンプ部により光電変換転送部群毎に転送トランジスタを介して光電変換素子から信号を読み出すように、転送トランジスタとスイッチトキャパシタアンプ部を制御する。この光電素子から信号を読み出す時、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電位を制御し、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側の電位を深くすることにより信号電荷の転送を完全化することが可能となる。また、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わないとき、上記制御部が、増幅トランジスタと電源側負荷で構成された反転増幅器の接地端子の電位をハイレベルにすることにより、反転増幅器が動作しないようにして、スイッチトキャパシタアンプ部の出力が選択されないようにする(スイッチトキャパシタアンプ部から信号線に信号が出力されない)。また、上記リセットトランジスタをオンして信号電荷蓄積部の電位をリセットするとき、制御部によって電位制御線の電位を制御することで、信号電荷蓄積部のリセット時の電位を所望の値に設定できる。
【００４５】
このように、上記光電変換転送部群の夫々の複数の画素に対して共通の増幅回路(信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部)を備えることにより、１画素当りのトランジスタ数を削減することが可能となる。また、上記増幅回路をスイッチトキャパシタ型とすることにより、信号電荷蓄積部の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換ゲインを高めることができる。したがって、簡単な構成で、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズの小型化ができる。
【００４６】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードであることを特徴とする。
【００４７】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、埋め込み型のフォトダイオードからの信号電荷転送を完全とすることによって、低ノイズ化されたより高画質の画像を得ることができる。
【００４８】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記制御部が、上記スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出し動作を行わない期間は、上記反転増幅器が動作しないように、上記電位制御線の電位を制御することにより上記反転増幅器の入力部の電位を制御することを特徴とする。
【００４９】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、スイッチトキャパシタアンプ部が信号電荷の読み出しを行わない期間、制御部によって反転増幅器の入力部の電位を制御して反転増幅器が動作しないようにすることにより、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数を削減することが可能となる。
【００５０】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記スイッチトキャパシタアンプ部が、上記光電変換転送部群の各転送トランジスタの出力側に一方の端子が接続された昇圧用キャパシタンス素子を有し、上記制御部は、上記光電変換素子から上記転送トランジスタを介して上記スイッチトキャパシタアンプ部の信号電荷蓄積部に信号電荷を転送するとき、上記光電変換転送部郡の各転送トランジスタの出力側の電位が深くなるように、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電圧を制御することを特徴とする。
【００５１】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、光電変換素子から転送トランジスタを介して信号電荷蓄積部に電荷を転送するとき、制御部によって、昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子電位を制御して反転増幅器の入力側の信号電荷蓄積部のポテンシャルを深くし、信号電荷の転送を容易にする。これにより、特に光電変換素子が埋め込み型のフォトダイオードの場合、フォトダイオードから信号電荷蓄積部への電荷転送を完全にすることが可能となり、読み出しノイズを大幅に低減することが可能となる。
【００５２】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子と上記電位制御線を接続していることを特徴とする。
【００５３】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記リセットトランジスタを介して増幅トランジスタの入力部のリセット電位を制御するための上記電位制御線を上記昇圧用キャパシタンス素子の他方の端子の電圧を制御することに兼用することで、配線を簡略化できる。
【００５４】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記電位制御線に印加される電位が、上記反転増幅器の上記増幅トランジスタと同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から出力されていることを特徴とする。
【００５５】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記反転増幅器の上記増幅トランジスタと同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から上記電位制御線に印加される電位を出力することにより、プロセスバラツキや温度変化、電源電圧変動などの影響を受けず、常に最適値の一定電位を発生できる。
【００５６】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記反転増幅器の接地端子が、全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターンであることを特徴とする。
【００５７】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターンを上記反転増幅器の接地端子として用いることによって、別に配線を設けることなく、全ての反転増幅器の接地端子を容易に設けることができる。
【００５８】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記反転増幅器を構成する電源側負荷が、定電流負荷トランジスタまたは抵抗であることが望ましい。
【発明の効果】
【００５９】
以上より明らかなように、この発明の増幅型固体撮像装置によれば、複数の画素に共通のスイッチトキャパシタアンプ部を用いることにより、電荷電圧変換効率を低下させることなしに、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減することが可能となり、画素サイズの縮小化に極めて有利となる。
【００６０】
特に、反転増幅器を共通の信号線を介して駆動側(スイッチトキャパシタアンプ部の増幅トランジスタ)と電源側負荷に分け、さらに、反転増幅器の接地端子の電位を制御するか、または、反転増幅器の入力端子の電位を制御することにより、トランジスタ数の一層の削減と、増幅率の大幅な増大が可能となる。これにより、画素サイズの縮小化および電荷電圧変換ゲインの増大が一層有利となる。
【００６１】
さらに、フォトダイオードを埋め込み型とすることにより、フォトダイオードからの信号電荷転送を高める動作が可能となり、完全電荷転送化により極めて低ノイズの画像を得ることが可能となる。
【００６２】
以上により、小型・高性能イメージセンサの形成に本発明の増幅型固体撮像装置は極めて有用となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
以下、この発明の増幅型固体撮像装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００６４】
(第１実施形態)
図１は、本発明の第１実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。この２次元増幅型固体撮像装置は、複数の画素をマトリックス状に２次元配列している。
【００６５】
ここで、１０はすべての画素に存在する光電変換転送部、２０は縦方向にｋ個の光電変換転送部１０で共有するスイッチトキャパシタアンプ部、１１はｉ列に存在する全てのスイッチトキャパシタアンプ部２０が共有する定電流負荷トランジスタ４である電源側負荷、２５は制御部の一例としての垂直走査回路である。図１では、複数行,複数列の光電変換転送部１０のうちのｉ列目のみを示しており、各列において光電変換転送部群としてのｋ個の光電変換転送部１０毎にスイッチトキャパシタアンプ部２０を接続している。但し、ｋ,ｉは２以上の整数である。
【００６６】
上記光電変換転送部１０は、光電変換素子の一例としてのフォトダイオード１と転送トランジスタ２からなる。
【００６７】
また、上記スイッチトキャパシタアンプ部２０は、光電変換転送部群としてのｋ個の光電変換転送部１０の各転送トランジスタ２の出力側が接続された信号電荷蓄積部８と、上記信号電荷蓄積部８に入力側が接続され、出力側から垂直信号線９に接続された増幅トランジスタ３と、上記増幅トランジスタ３の入出力間に挿入されたリセットトランジスタ５およびキャパシタンス素子の一例としてのキャパシタ６からなる。上記増幅トランジスタ３は、定電流負荷トランジスタ４とともに定電流負荷型のソース接地反転増幅器を構成する。この反転増幅器の入力側のｋ個の光電変換転送部１０に共通の信号電荷蓄積部８の電位を持ち上げるための昇圧用キャパシタンス素子の一例としての昇圧用キャパシタ７の一端を信号電荷蓄積部８に接続している。ここで、信号電荷蓄積部８の容量をＣFD、キャパシタ６の容量をＣin,電位を持ち上げるための昇圧用キャパシタ７の容量をＣupで表す。
【００６８】
図１において、２１は転送トランジスタ駆動信号線、２２はリセットトランジスタ駆動信号線、２３はスイッチトキャパシタアンプ接地側信号線、２４は電位制御線である。上記転送トランジスタ駆動信号線２１を、行方向に配列された各光電変換転送部１０の転送トランジスタ２のゲートに接続している。また、上記リセットトランジスタ駆動信号線２２を、スイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ５のゲートに接続している。また、上記スイッチトキャパシタアンプ接地側信号線２３を、スイッチトキャパシタアンプ部２０の増幅トランジスタ３のソース(反転増幅器の接地側端子)に接続している。また、上記電位制御線２４を昇圧用キャパシタ７の他端に接続している。
【００６９】
また、図１において、n番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０に接続された１行目の画素を(ｎ,１)、２行目の画素を(ｎ,２)、ｋ行目の画素を(ｎ,ｋ)で表す。従って２次元固体撮像装置が垂直方向にｐ個のスイッチトキャパシタアンプ部２０からなる場合、垂直方向に全部でｋ×ｐ個の画素からなる。(ｎ,１)画素、(ｎ,２)画素、…、(ｎ,ｋ)画素の転送トランジスタ２のゲートには、それぞれ駆動パルスφT(ｎ,１)、φT(ｎ,２)、…、φT(ｎ,ｋ)が印加される。
【００７０】
また、ｎ番目のスイッチトキャパシタアンプ部２０には、リセットトランジスタ５のゲートにリセットトランジスタ駆動信号線２２を介して駆動パルスφR(n)が印加され、信号電荷蓄積部８の電位を容量値Ｃupによって持ち上げるための制御パルスφC(n)が電位制御線２４を介して印加され、増幅トランジスタ３のソース電位を制御するＶS(n)がスイッチトキャパシタアンプ接地側信号線２３を介して印加される。なお、定電流負荷トランジスタ４は、トランジスタでなくとも拡散層などで構成される高抵抗であってもその目的は達成できる。また、この第１実施形態は、定電流負荷型ソース接地反転増幅器を用いた２次元増幅型固体撮像装置について説明しているが、トランジスタ負荷型ソース接地反転増幅器やカスコード型ソース接地反転増幅器でもその目的は達成できる。
【００７１】
図２は図１に示す２次元増幅型固体撮像装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【００７２】
期間Ｔ１では、ｎ行目のスイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ５のゲートに印加される駆動パルスφR(n)がハイレベルとなり、増幅トランジスタ３のソースに印加される駆動パルスＶS(n)がローレベル(グランドＧＮＤ)となる。そうして、リセットトランジスタ５がオン状態となることによって、増幅トランジスタ３と定電流負荷トランジスタ４で構成される反転増幅器の入出力間が短絡され、信号電荷蓄積部８および垂直信号線９の電位Ｖsig(i)が、一定電位ＶＭにリセットされる。
【００７３】
これは以下の理由による。図３に反転増幅器の回路図を示し、図４にその特性を示す。今、この反転増幅器の入出力間を短絡すると、図４で反転増幅器の特性とＶout＝Ｖinなる直線との交点が一定電位ＶＭとなり、この電圧にリセットされるのである。
【００７４】
次に、図２に示す期間Ｔ２では、駆動パルスφR(n)がローレベルとなり、リセットトランジスタ５はオフ状態となる。リセットトランジスタ５のオフ時のフィードスルーにより信号電荷蓄積部８の電位は若干下がるため、垂直信号線９の電位Ｖsig(i)は、一定電位ＶＭより少し上がる。このときに得られる信号電位がこの画素の基準電位である。
【００７５】
次の期間Ｔ３は、画素のフォトダイオード１で光電変換された信号電荷を、信号電荷蓄積部８に読み出す期間である。まず、増幅トランジスタ３のソースに印加される駆動パルスＶS(n)をハイレベル(電源電圧ＶＤＤ)とすることにより、この増幅トランジスタ３をオフ状態とする。その結果、垂直信号線９の電位Ｖsigは、電源電圧ＶＤＤとなる。次に、駆動パルスφT(ｎ,１)をハイレベルにすることで、(ｎ,１)行目の転送トランジスタ２により(ｎ,１)行目のフォトダイオード１に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部８に読み出される。更にこのとき、制御パルスφC(n)をハイレベルとすることにより、昇圧用キャパシタ７の容量Ｃupによって結合された信号電荷蓄積部８の電位が持ち上がり、フォトダイオード１から信号電荷蓄積部８への電荷転送が促進され、完全電荷転送化が可能となる。
【００７６】
次の期間Ｔ４では、駆動パルスφT(ｎ,１)と制御パルスφC(n)がローレベルとなり、よって信号電荷蓄積部８では期間Ｔ２での電位から信号電荷転送による変化分だけずれた電位が保持され、さらに増幅トランジスタ３のソースに印加される駆動パルスＶS(n)がローレベル(グランドＧＮＤ)になることで、その保持された信号レベルが反転増幅器で増幅されて垂直信号線９に出力される。このときに得られる垂直信号線電位がこの画素の信号となる。
【００７７】
次の期間Ｔ５では、期間Ｔ１,Ｔ２と同様の動作であり、駆動パルスφR(n)をハイレベルからローレベルに変化させて、信号電荷蓄積部８と垂直信号線９の電位をほぼ一定電位ＶＭとし、信号電荷蓄積部８の電位を初期状態の一定電位ＶＭにリセットする。
【００７８】
期間Ｔ６では、増幅トランジスタ３のソースに印加される駆動パルスＶS(n)をハイレベル(電源電圧ＶＤＤ)に引き上げる。これにより増幅トランジスタ３をオフ状態とするとともに垂直信号線９の電位は、再び電源電圧ＶＤＤとなる。
【００７９】
以上の動作により、垂直信号線９において、期間Ｔ２と期間Ｔ４の差信号を後段のＣＤＳ(相関２重サンプリング)回路や差動アンプ回路あるいはクランプ回路(本明細書では特に記載せず)で取れば、(ｎ,１)行目の画素に入射した光により発生した電荷による実効的な信号が読み出される。
【００８０】
上記動作説明は、(ｎ,１)行目の画素の場合であるが、(ｎ,２)から(ｎ,ｋ)行目の画素における動作も全く同様であり、転送トランジスタ２をオンするための駆動パルスをφT(ｎ,２)からφT(ｎ,ｋ)に選択する違いのみである。図２には(ｎ,２)行目の画素の場合のタイミングも記載されている。
【００８１】
ここで、フォトダイオード１から転送された電荷量△Ｑsig、反転増幅器(３,４)のゲインＡとすれば、読み出される実効的な信号は
△Ｖsig ＝ Ａ・△Ｑsig／[ ＣFD＋Ｃup＋(１＋Ａ)Ｃin ]  ………  (式１)
となる。ここで、反転増幅アンプのゲインＡは、
2005278041.tif 000003
であり、(式２)中、gmは増幅トランジスタ３のトランスコンダクタンス、ronは増幅トランジスタ３の出力抵抗、ropは定電流負荷トランジスタ４の出力抵抗である。
またアンプゲインＡが非常に大きい場合、
△Ｖsig ≒ △Ｑsig／Ｃin  ………  (式３)
となって、結局、電荷電圧変換効率ηは
η ＝ △Ｖsig／△Ｑsig＝１／Ｃin  ………  (式４)
となる。すなわち、出力される信号が信号電荷蓄積部８の容量ＣFDに依存しないことが示され、縦方向に接続する画素数が増加し、容量ＣFDが大きくなっても本発明によれば電荷電圧変換効率ηの低下が発生しない。
【００８２】
一方、上記画素(ｎ,１)から画素(ｎ,ｋ)が選択されていない期間では、ｎ行目の増幅トランジスタ３の各端子の電位は、
ソース：電源電圧ＶＤＤ
ゲート：一定電位ＶＭ(あるいは、フォトダイオード１からオーバーフローした信号電荷が蓄積している場合は一定電位ＶＭ以下)
ドレイン：一定電位ＶＭ以上(垂直信号線)
になっており、増幅トランジスタ３は常時オフ状態となっている。
【００８３】
これにより、従来の画素構造では、読み出しラインを選択するための選択トランジスタが各画素内で必要であったが、本発明によれば、増幅トランジスタ３のソース電位を制御することで増幅トランジスタ３はオフ状態すなわち反転増幅器を動作しない状態にできるため、選択トランジスタが不必要となる。これより単位画素面積に占めるフォトダイオード１の面積を大きくすることが可能となって、高画質の画像を得ることができ、かつ画素サイズを小型化できる。
【００８４】
図２において期間Ｔ６では、増幅トランジスタ３のソースを電源電圧ＶＤＤに引き上げることによって、信号電荷蓄積部８の電位が、一定電位ＶＭより、(式５)に示される電位ＶＢだけ容量結合によって上がる。
ＶＢ ＝ {(ＶＤＤ−ＶＭ)Ｃin＋ＶＤＤ×Ｃgs}／(ＣFD＋Ｃup＋Ｃin＋Ｃgs)
………  (式５)
ここで、Ｃgsは増幅トランジスタ３のゲート−ソース間のカップリング容量である。この場合、増幅トランジスタ３の閾値にもよるが、場合によっては増幅トランジスタ３が期間Ｔ６の間、完全にオフしない可能性が有る。
【００８５】
この問題を解決する駆動方法として、図５に示す駆動方法がある。図５は図１で示した回路の他の動作を説明するタイミングチャートを示しており、期間Ｔ５および期間Ｔ６の初め一部期間に制御パルスφC(n)の電位を予め次の(式６)に示される電位ＶＣに固定し、
ＶＣ＝ {(ＶＤＤ−ＶＭ)Ｃin＋ＶＤＤ×Ｃgs}／Ｃup  ………  (式６)
期間Ｔ６に増幅トランジスタ３のソースを電源電圧ＶＤＤに引き上げた後、制御パルスφC(n)の電位をグランドＧＮＤレベルに戻す駆動方法である。これにより信号電荷蓄積部８の電位が一定電位ＶＭに戻り、前述した問題点が解決される。
【００８６】
上記構成の次元増幅型固体撮像装置によれば、上記光電変換転送部群の夫々の複数の画素に対して共通の増幅回路(信号電荷を電圧に変換して増幅するスイッチトキャパシタアンプ部２０)を備えることにより、１画素当りのトランジスタ数を削減することが可能となる。また、上記増幅回路をスイッチトキャパシタ型とすることにより、信号電荷蓄積部８の容量を実効的に低減することが可能となり、電荷電圧変換ゲインを高めることができる。したがって、簡単な構成で、ノイズの少ない高画質の画像を得ることができると共に、１画素当たりのトランジスタ数を大幅に削減して画素サイズを小型化することができる。
【００８７】
また、上記画素の光電変換素子に埋め込み型のフォトダイオードを用いることによって、フォトダイオード１からの信号電荷転送を完全化することができ、低ノイズ化されたより高画質の画像を得ることができる。
【００８８】
また、上記スイッチトキャパシタアンプ部２０が信号電荷の読み出しを行わない期間、および、フォトダイオード１から転送トランジスタ２を介して信号電荷蓄積部８に電荷を転送する期間、垂直走査回路２５によって反転増幅器の接地端子の電位を制御して反転増幅器が動作しないようにすることにより、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数をさらに削減することが可能となる。
【００８９】
また、上記フォトダイオード１から転送トランジスタ２を介して信号電荷蓄積部８に電荷を転送するとき、垂直走査回路２５によって、昇圧用キャパシタ７の他方の端子電位を制御して反転増幅器の入力側の信号電荷蓄積部８のポテンシャルを深くし、信号電荷の転送を容易にして、埋め込み型のフォトダイオードから信号電荷蓄積部への電荷転送を完全にすることが可能となり、読み出しノイズを大幅に低減することができる。
【００９０】
(第２実施形態)
図６は、本発明の第２実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。上記第２実施形態の２次元増幅型固体撮像装置は、リセットトランジスタの接続を除いて第１実施形態と同一の構成をしており、同一構成部は同一参照番号を付して説明を省略する。上記第１実施形態の２次元増幅型固体撮像装置との違いは、リセットトランジスタ５が第１実施形態では増幅トランジスタ３の入出力間に挿入されたが、この第２実施形態では、増幅トランジスタ３の入力部と、一定電位ＶＭが印加された電位部の一例としての遮光用パターン２６との間に挿入されている。
【００９１】
ここで、一定電位ＶＭの電圧発生回路を図７に示しており、この電圧発生回路は、ソースがグランドに接続され、ゲートとドレインが接続されたＮＭＯＳトランジスタ３１と、上記ＮＭＯＳトランジスタ３１のドレインにドレインが接続され、ソースに電源電圧ＶＤＤが印加されたＰＭＯＳトランジスタ３２と、上記ＰＭＯＳトランジスタ３２のドレインに非反転入力端子が接続されたバッファ３３とを有している。上記ＮＭＯＳトランジスタ３１は、画素の増幅トランジスタと同一構造をしており、ＰＭＯＳトランジスタ３２は定電流負荷トランジスタと同一構造をしている。
【００９２】
上記電圧発生回路は、図１に示すスイッチトキャパシタアンプ部２０の増幅トランジスタ３と定電流負荷トランジスタ４で構成される反転増幅器と同一構造のトランジスタを用いて、反転増幅器を同一半導体基板上に形成し、その反転増幅器の入出力間を短絡するとともに、その出力をインピーダンス変換のためのバッファ３３を介して一定電位ＶＭの出力が可能である。この出力は上記反転増幅器と同一構造のトランジスタを用いているため、プロセスバラツキや温度変化、電源電圧変動などの影響を受けず、常に最適値を発生し、全画素共通の遮光用パターン２６(遮光用メタル)に印加することが可能である。
【００９３】
図８にこの第２実施形態の駆動パルスのタイミングチャートを示す。第１実施形態との違いは、期間Ｔ６での駆動パルスφR(n)の極性の違いのみであり、この期間Ｔ６では駆動パルスφR(n)がハイレベルのため、信号電荷蓄積部８の電位を一定電位ＶＭに固定している。従って、画素(ｎ,１)から画素(ｎ,ｋ)が選択されていない期間Ｔ６は、ｎ行目の増幅トランジスタ３の各端子の電位は、
ソース：電源電圧ＶＤＤ
ゲート：一定電位ＶＭ
ドレイン：一定電位ＶＭ以上(垂直信号線)
になっており、増幅トランジスタ３はやはり常時オフ状態となっている。
【００９４】
これにより、従来の画素構造では必要であった選択トランジスタがやはり不必要となり、単位画素面積に占めるフォトダイオード１の面積を大きくすることが可能となって、高画質の画像を得ることができ、かつ画素サイズを小型化できる。また、出力される信号が信号電荷蓄積部８の容量ＣFDに依存せず、縦方向に接続する画素数が増加し、容量ＣFDが大きくなっても、本発明によれば電荷電圧変換効率ηの低下が発生しないことはこの第２実施形態でも自明である。
【００９５】
上記構成の２次元増幅型固体撮像装置は、上記第１実施形態の２次元増幅型固体撮像装置と同様の効果を有する。
【００９６】
また、上記反転増幅器の増幅トランジスタ３と同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から上記一定電位を出力することにより、プロセスバラツキや温度変化、電源電圧変動などの影響を受けず、常に最適値の一定電位を発生できる。
【００９７】
また、上記一定電位が印加された電位部として全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターンを用いることによって、別に配線を設けることなく、全画素の増幅トランジスタの入力部にリセットトランジスタを介して一定電位を印加することが容易にできる。
【００９８】
(第３実施形態)
図９は、本発明の第３実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。上記第２実施形態の２次元増幅型固体撮像装置は、リセットトランジスタの接続を除いて第１実施形態と同一の構成をしており、同一構成部は同一参照番号を付して説明を省略する。上記第１実施形態の増幅型固体撮像装置との違いは、リセットトランジスタ５が第１実施形態では増幅トランジスタ３の入出力間に挿入されたが、この第３実施形態では、増幅トランジスタ３の入力側と、制御パルスφC(n)が印加される電位制御線２４との間にリセットトランジスタ５が挿入されている。また、増幅トランジスタ３のソース(反転増幅器の接地端子)は常にグランドＧＮＤレベルであり、全画素共通の遮光用パターン２７(遮光メタル)などを利用して配線している。
【００９９】
図１０に上記第２実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートを示す。
【０１００】
期間Ｔ１では、ｎ行目のスイッチトキャパシタアンプ部２０のリセットトランジスタ５のゲートに印加される駆動パルスφR(n)がハイレベルとなり、制御パルスφC (n)の電位が一定電位ＶＭであるため、信号電荷蓄積部８および垂直信号線９の電位Ｖsig(i)が、一定電位ＶＭにリセットされる。
【０１０１】
次の期間Ｔ２では、駆動パルスφR(n)がローレベルとなり、リセットトランジスタ５はオフ状態となる。リセットトランジスタ５のオフ時のフィードスルーにより信号電荷蓄積部８の電位は若干下がるため、垂直信号線９の電位Ｖsig(i)は、一定電位ＶＭより少し上がる。このときに得られる信号電位がこの画素の基準電位である。
【０１０２】
次の期間Ｔ３では、画素のフォトダイオード１で光電変換された信号電荷を、信号電荷蓄積部８に読み出す期間である。駆動パルスφT(ｎ,１)をハイレベルにすることにより転送トランジスタ２がオン状態となり、(ｎ,１)行目の転送トランジスタ２を介して(ｎ,１)行目の画素フォトダイオード１に蓄積された信号電荷が、信号電荷蓄積部８に読み出される。更にこのとき、制御パルスφC(n)をハイレベルとすることにより、昇圧用キャパシタ７の容量Ｃupによって結合された信号電荷蓄積部８の電位が持ち上がり、フォトダイオード１から信号電荷蓄積部８への電荷転送が促進され、完全電荷転送化が可能となる。この期間Ｔ３は、信号電荷蓄積部８すなわち反転増幅器の入力部が電源電圧ＶＤＤレベルであるため、垂直信号線９の電位はグランドＧＮＤレベルになる。
【０１０３】
次の期間Ｔ４では、駆動パルスφT(ｎ,１)はローレベルとなって転送トランジスタ２がオフ状態となり、制御パルスφC(n)は一定電位ＶＭに戻り、よって信号電荷蓄積部８では期間Ｔ２での電位から信号電荷転送による変化分だけずれた電位が保持され、その保持された信号レベルが反転増幅器で増幅されて垂直信号線９に出力される。このときに得られる垂直信号線電位がこの画素の信号となる。
【０１０４】
次の期間Ｔ５では、駆動パルスφR(n)をハイレベルとし、制御パルスφC(n)をＶＬレベルとし、信号電荷蓄積部８の電位をＶＬレベルにリセットとする。ここで、ＶＬレベルとは、増幅トランジスタ３のドレイン−ソース間がオンしない最大のゲート電圧である。上記信号電荷蓄積部８の電位をグランドＧＮＤレベルとしない理由は、通常、転送トランジスタ２は、フォトダイオード１でオーバーフローした光電変換された信号電荷を逃がすためにデイプリージョンタイプのトランジスタが用いられるのが一般的であり、もし増幅トランジスタ３のゲート電圧(すなわち信号電荷蓄積部８の電位)がグランドＧＮＤレベルであれば、転送トランジスタ２を介してフォトダイオード１に信号電荷を注入してしまうためである。
【０１０５】
図１１に増幅トランジスタ３と同一構造のトランジスタを用いたＶＬ発生回路を示す。このＶＬ発生回路は、図１１に示すように、ソースがグランドＧＮＤに接続され、ゲートに抵抗Ｒ１を介して電源電圧ＶＤＤが印加され、ドレインに抵抗Ｒ２(高抵抗)を介して電源電圧ＶＤＤが印加されたＮＭＯＳトランジスタと、上記ＮＭＯＳトランジスタのドレインに非反転入力端子が接続され、反転入力端子に電源電圧ＶＤＤが印加された差動増幅器４２とを備え、上記差動増幅器４２の出力端子とＮＭＯＳトランジスタのゲートとを接続している。上記ＮＭＯＳトランジスタは、増幅トランジスタ３と同一構造としている。
【０１０６】
上記期間Ｔ５では、増幅トランジスタ３のドレイン−ソース間がオフしているため、垂直信号線９の電位は電源電圧ＶＤＤとなっている。
【０１０７】
以上の動作により、垂直信号線９において、期間Ｔ２と期間Ｔ４の差信号を後段のＣＤＳ回路や差動アンプ回路あるいはクランプ回路(本出願では特に記載せず)で取れば、(ｎ,１)行目の画素に入射した光により発生した電荷による実効的な信号が読み出される。
【０１０８】
一方、上記画素(ｎ,１)から画素(ｎ,ｋ)が選択されていない期間では、ｎ行目の増幅トランジスタ３の各端子の電位は、
ソース：グランドＧＮＤ
ゲート：ＶＬ
ドレイン：グランドＧＮＤから電源電圧ＶＤＤまで変化(垂直信号線)
になっており、増幅トランジスタは常時オフ状態となっている。
【０１０９】
これにより、従来の画素構造では必要であった選択トランジスタがやはり不必要となり、単位画素面積に占めるフォトダイオードの面積を大きくすることが可能となって、高画質の画像を得ることができ、かつ画素サイズを小型化できる。また、出力される信号が信号電荷蓄積部８の容量ＣFDに依存せず、縦方向に接続する画素数が増加し、容量ＣFDが大きくなっても、本発明によれば電荷電圧変換効率ηの低下が発生しないことはこの第３実施形態でも自明である。
【０１１０】
上記構成の２次元増幅型固体撮像装置は、上記第１実施形態の２次元増幅型固体撮像装置と同様の効果を有する。
【０１１１】
また、スイッチトキャパシタアンプ部２０が信号電荷の読み出しを行わない期間、垂直走査回路２５によって、反転増幅器の入力部の電位を制御して反転増幅器が動作しないようにすることにより、読み出しラインを選択するための選択用のトランジスタが不要になり、1画素当たりのトランジスタ数を削減することが可能となる。
【０１１２】
また、上記電位制御線２４の電位により昇圧用キャパシタ７の他方の端子の電圧を制御することができる。上記リセットトランジスタ５を介して増幅トランジスタ３の入力部のリセット電位を制御するための電位制御線２４を、昇圧用キャパシタ７の他方の端子の電圧を制御することに兼用することにより、配線を簡略化することができる。
【０１１３】
また、上記反転増幅器の増幅トランジスタ３と同一構造のトランジスタを用いて同一半導体基板上で作製された電圧発生回路から上記電位制御線に印加される電位を出力することにより、プロセスバラツキや温度変化、電源電圧変動などの影響を受けず、常に最適値の一定電位を発生できる。
【０１１４】
また、全画素共通の導電性材料からなる遮光用パターン２７を上記反転増幅器の接地端子として用いることによって、別に配線を設けることなく、全ての反転増幅器の接地端子を容易に設けることができる。
【０１１５】
(第４実施形態)
図１２は、本発明の第４実施形態の増幅型固体撮像装置の一例としての２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。上記第１実施形態では、垂直ｋ個の光電変換転送部１０に共通の信号電荷蓄積部８であったが、この第４実施形態では、水平２個×垂直ｋ個の光電変換転送部１０に共通の信号電荷蓄積部８の構成である。このように本発明は、光電変換転送部群が水平方向と垂直方向の組み合わせでも良い。
【０１１６】
図１２では奇数列の光電変換転送部１０と偶数列の光電変換転送部１０とで転送トランジスタ２のゲートに印加する駆動パルスを分け、駆動パルスφT(ｎ,O１)、φT(ｎ,O２)、…、φT(ｎ,Ok)、および、駆動パルスφT(ｎ,E１)、φT(ｎ,E２)、…、φT(ｎ,Ek)のようにしている。これにより共通のスイッチトキャパシタアンプ部２０に接続された同一行上の光電変換転送部１０を区別して読み出すことができる。この第４実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートを図１３に示す。
【０１１７】
上記第１〜第４実施形態では、増幅型固体撮像装置の一例としての画素が２次元配列された２次元増幅型固体撮像装置について説明したが、画素が１次元配列された増幅型固体撮像装置に本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】図１は本発明の第１実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。
【図２】図２は上記２次元増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図３】図３は上記２次元増幅型固体撮像装置の反転増幅器単体の回路図である。
【図４】図４は上記２次元増幅型固体撮像装置の反転増幅器の特性である。
【図５】図５は上記２次元増幅型固体撮像装置の他の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図６】図６は本発明の第２実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。
【図７】図７は上記２次元増幅型固体撮像装置のＶＭ電圧発生回路の回路図である。
【図８】図８は上記２次元増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図９】図９は本発明の第３実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。
【図１０】図１０は上記２次元増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図１１】図１１は上記２次元増幅型固体撮像装置のＶＬ電圧発生回路の回路図である。
【図１２】図１２は本発明の第４実施形態の２次元増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。
【図１３】図１３は上記２次元増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートである。
【図１４】図１４は従来の増幅型固体撮像装置の構成を示す回路図である。
【図１５】図１５は上記増幅型固体撮像装置の駆動パルスのタイミングチャートである。
【符号の説明】
【０１１９】
１…フォトダイオード
２…転送トランジスタ
３…増幅トランジスタ
４…定電流負荷トランジスタ
５…リセットトランジスタ
６…キャパシタ
７…昇圧用キャパシタ
８…信号電荷蓄積部
１０…光電変換転送部
１１…電源側負荷
２０…スイッチトキャパシタアンプ部
２１…転送トランジスタ駆動信号線
２２…リセットトランジスタ駆動信号線
２３…スイッチトキャパシタアンプ接地側信号線
２４…電位制御線
２５…垂直走査回路
２６,２７…遮光用パターン
３１…ＮＭＯＳトランジスタ
３２…ＰＭＯＳトランジスタ
３３…バッファ
【図１】
2005278041.tif 000004
【図２】
2005278041.tif 000005
【図３】
2005278041.tif 000006
【図４】
2005278041.tif 000007
【図５】
2005278041.tif 000008
【図６】
2005278041.tif 000009
【図７】
2005278041.tif 000010
【図８】
2005278041.tif 000011
【図９】
2005278041.tif 000012
【図１０】
2005278041.tif 000013
【図１１】
2005278041.tif 000014
【図１２】
2005278041.tif 000015
【図１３】
2005278041.tif 000016
【図１４】
2005278041.tif 000017
【図１５】
2005278041.tif 000018