(57)【要約】【課題】  簡単な構成でリセットノイズと残像の両方を低減すると共に、入射光信号に対する出力信号の直線性を保持できる増幅型固体撮像装置を提供すること。【解決手段】  フレームＦ（ｎ），Ｆ（ｎ＋１），…毎に、信号レベル読出期間ＴS1と、第１のリセット期間ＴR1と、リセットレベル読出期間ＴS2と、第２のリセット期間ＴR2と、第３のリセット期間ＴR3とをこの順に繰り返す。期間ＴR1及びＴR3では、リセット用ＭＯＳトランジスタにサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる。一方、期間ＴS2では、リセット用ＭＯＳトランジスタに光電変換領域の電位をドレイン電位に固定するハードリセット動作を行わせる。リセット用ＭＯＳトランジスタの閾値ゲート電圧をＶｔとしたとき、|Ｖ１−Ｖｔ|≧|Ｖ２−Ｖｔ|＞|Ｖ４−Ｖｔ|なる関係を満たすようにリセットゲート電圧Ｖ１、Ｖ２およびＶ４を設定する。【選択図】図１
2005123950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数配列された画素を備え、
上記各画素は少なくとも光電変換領域、この光電変換領域の電位が表す信号を増幅する信号増幅用電界効果トランジスタ、上記光電変換領域の電荷をドレインへ排出するためのリセット用電界効果トランジスタ、および画素選択用電界効果トランジスタを有し、
各画素においてフレーム毎に、上記光電変換領域の電位レベルを上記信号増幅用電界効果トランジスタを通して読み出す信号レベル読出期間と、上記リセット用電界効果トランジスタにサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる第１のリセット期間と、上記第１のリセット期間のソフトリセット動作によって上記光電変換領域が達した電位レベルを上記信号増幅用電界効果トランジスタを通して読み出すリセットレベル読出期間と、上記リセット用電界効果トランジスタに上記光電変換領域の電位をドレイン電位に固定するハードリセット動作を行わせる第２のリセット期間と、上記リセット用電界効果トランジスタにサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる第３のリセット期間と、をこの順に繰り返す制御を行う制御手段と、
上記第１のリセット期間におけるリセット用電界効果トランジスタのゲート電圧をＶ１、上記第２のリセット期間と第３のリセット期間におけるリセット用電界効果トランジスタのゲート電圧をＶ２、上記第１および第２のリセット期間以外の期間におけるリセット用電界効果トランジスタのゲート電圧をＶ４、リセット用電界効果トランジスタの閾値ゲート電圧をＶｔとそれぞれ表したとき、
|Ｖ１−Ｖｔ|≧|Ｖ２−Ｖｔ|＞|Ｖ４−Ｖｔ|
なる関係を満たすように上記電圧Ｖ１、Ｖ２およびＶ４を設定する電圧設定手段とを備えた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、
上記電圧設定手段は、上記第１のリセット期間直後の光電変換領域の電位が、この光電変換領域への入射光強度に関わらず一定となるように、|Ｖ１−Ｖ２|の値を所定値よりも大きく設定す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、
上記電圧設定手段は、上記光電変換領域の入射光強度に対する電位変化が、入射光強度が低いときには線形的に変化する一方、入射光強度が高いときには対数的に変化するように、|Ｖ２−Ｖ４|の値を所定範囲内に設定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、
上記信号レベル読出期間に読み出された信号と上記リセットレベル読出期間に読み出された信号との間で相関２重サンプリング動作を行う相関２重サンプリング手段を備えた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、
複数の上記画素がマトリクス状に配列され、
上記リセット用電界効果トランジスタのゲートは行単位でそれぞれ行方向に延びるリセットゲート線に接続され、
上記電圧設定手段は、上記リセットゲート線を介して上記リセット用電界効果トランジスタのゲートに行単位で、上記Ｖ１、Ｖ２およびＶ４の３値をとるパルス状の駆動電圧を順次印加する第１の走査回路を含むことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記画素選択用電界効果トランジスタの一方の端子は列単位でそれぞれ列方向に延びる信号線に接続され、
上記画素選択用電界効果トランジスタのゲートは行単位でそれぞれ行方向に延びる画素選択線に接続され、
上記画素選択線を介して上記画素選択用電界効果トランジスタのゲートに行単位で２値のパルス状の駆動電圧を順次印加する第２の走査回路を備えたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項７】
請求項５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記リセット用電界効果トランジスタのドレインは列単位でそれぞれ列方向に延びるドレイン線に接続され、
上記ドレイン線を介して上記リセット用電界効果トランジスタのドレインに２値のパルス状の駆動電圧を印加する電圧印加手段を備えた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、
上記増幅用電界効果トランジスタのドレインは列単位でそれぞれ上記ドレイン線に接続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９】
請求項５に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記リセット用電界効果トランジスタのドレインは行単位でそれぞれ行方向に延びるリセットドレイン線に接続され、
上記リセットドレイン線を介して上記リセット用電界効果トランジスタのドレインに行単位で２値のパルス状の駆動電圧を順次印加する第３の走査回路を備えた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、より詳しくは、増幅機能を持つ画素が複数配列された増幅型固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各画素毎に増幅機能を持つ画素部とその画素部の周辺に配置された走査回路とを有し、その走査回路によって画素部を走査して各画素の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の一体化に有利なＣＭＯＳにより構成した、ＡＰＳ（Active Pixel Sensor）型イメージセンサが知られている。
【０００３】
一般に、ＡＰＳ型イメージセンサは、１画素内に光電変換部、増幅部、画素選択部、リセット部を備える。ここで通常、光電変換部はフォトダイオード（ＰＤ）から形成され、増幅部、画素選択部、リセット部は３個〜４個のＭＯＳ型トランジスタ（Ｔｒ）から形成されている。
【０００４】
図８に１個のフォトダイオード（ＰＤ）と３個のＭＯＳ型トランジスタ（Ｔｒ）を用いて、（ＰＤ＋３Ｔｒ）方式としたＡＰＳ型イメージセンサの構成を示す（簡単のため、画素部としては２行２列（４画素）のみを図示している。）。図８において、２０１は増幅用ＭＯＳトランジスタ、２０２はリセット用ＭＯＳトランジスタ、２０３は画素選択用ＭＯＳトランジスタ、２０４は光電変換用フォトダイオード、２０５は信号線、２０６は電源線、２０７は画素選択ライン、２８０はリセットゲートラインである。ＭＯＳトランジスタ２０３および２０２はそれぞれ画素選択ライン２０７およびリセットゲートライン２８０を介して、垂直走査回路（Ｉ）２２１および垂直走査回路（IIｏ）２２２により駆動される。また信号線２０５には定電流負荷となるＭＯＳトランジスタ２３０（ゲートバイアス電圧としてＶL1が印加されている）が接続されると共に、その出力電圧はアンプ（増幅用ＭＯＳトランジスタ）２３１およびＭＯＳトランジスタ２３２を介して水平信号線２３６に読み出される。ＭＯＳトランジスタ２３２は水平クロックライン２３５を介して水平走査回路２３４により駆動される。水平信号線２３６には定電流負荷となるＭＯＳトランジスタ２３３（ゲートバイアス電圧としてＶL2が印加されている）が接続されると共に、その出力電圧はアンプ２３７を介して出力ＯＳに導かれる。
【０００５】
図９に示すように、上記構成の画素でリセットトランジスタ２０２のゲート（リセットゲート）がオン時のリセットゲート下チャネル電位をφRH、リセットドレイン電圧をＶDDとし、ＶDD＜φRHすると、そのリセットゲートがオン時にはフォトダイオード２０４はＶDDにリセットされる。しかしながら、リセットゲートがオフ後のフォトダイオードには、電子数で表して次式（１）のようなリセットノイズΔＮｒｎが発生する。
【０００６】
ΔＮｒｎ＝（ｋＴＣｐ）1/2／ｑ                      …（１）
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｃｐはフォトダイオードおよびそれに接続する領域の容量、ｑは素電荷である。式（１）より明らかなように、リセットノイズは容量Ｃｐに依存し、Ｃｐが大きい程大きくなる。
【０００７】
図８より明らかなように、Ｃｐにはフォトダイオード自体の容量に増幅用ＭＯＳトランジスタ２０１のゲート容量、およびこれらの相互結線容量も加わる。このため、上記構成の画素では、リセットノイズΔＮｒｎを低減することが要請されている。
【０００８】
リセットノイズを低減するために、次に述べるようなソフトリセット動作が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。即ち、図１０に示すように、リセットトランジスタ２０２のゲート（リセットゲート）がオン時、ＶDD＞φRHすると、フォトダイオード２０４の電位はφRH付近のサブスレッショルド領域にリセットされる。この場合、リセットゲートがオフ後のフォトダイオードには、電子数で表して次式（２）のようなソフトリセットノイズΔＮｓｒが発生する。
【０００９】
ΔＮｓｒ＝（ｋＴＣｐ／２）1/2／ｑ                  …（２）
この場合、式（１）の場合に比べ、電子数で（１／２）1/2＝０．７１倍にノイズが低減される。
【００１０】
しかしながら、このソフトリセット動作でリセットドレイン２０６の電位をＶDDに固定した場合には、リセットゲートでのサブスレショルド電流によるリークのせいでフォトダイオードの電位が固定されず、実際のところ１０フレーム以上に及ぶ非常に長い期間にわたって残像が生じる。
【非特許文献１】ベダブレータ・ペイン（Bedabrata Pain）ら著，「サブスレッショルド・リセットで動作されるフォトダイオード型ＣＭＯＳアクティブ画素イメージャの低光レベル性能の解析と向上（Analysis and enhancement of low-light level performance of photodiode-type CMOS active pixel imagers operated with sub-threshold reset）」，電荷結合素子および次世代イメージセンサについてのアイ・トリプルイー・ワークショップ（IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors），１９９９年６月，ｐ．１４０−１４３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この残像が生じる現象を避けるため、本出願人は先に、ソフトリセット動作の前にハードリセット動作を行う方式を提案した（特願２００３−１９０１７１号）。図１１に示すように、この方式では、フレームＦ（ｎ），Ｆ（ｎ＋１），…毎に、信号レベル読出期間ＴS1と、第１のリセット期間ＴR1と、リセットレベル読出期間ＴS2と、第２のリセット期間ＴR2と、第３のリセット期間ＴR3とをこの順に繰り返す。第１のリセット期間ＴR1及び第３のリセット期間ＴR3では、リセット用ＭＯＳトランジスタにサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる。一方、第２のリセット期間ＴS2では、リセット用ＭＯＳトランジスタに光電変換領域の電位をドレイン電位に固定するハードリセット動作を行わせる。
【００１２】
このようにした場合、第２のリセット期間ＴR2で残像を解消しているので、残像は１フレームのみに限定される。したがって、残像が低減されて、実用上問題にならなくなる。
【００１３】
更に、ソフトリセット動作ではメモリ効果のため、先行フレームＦ（ｎ）での最後のソフトリセット動作後のリセットノイズと、注目フレームＦ（ｎ＋１）での最初のソフトリセット動作後のリセットノイズとは相関（ＣＯＲ）が生じる。このため、相関２重サンプリング（ＣＤＳ）動作を行って、読み出した信号レベルとリセットレベルとの間で差Ｖｅｆｆをとれば、リセットノイズが大幅に低減される。
【００１４】
しかしながら、上述のたソフトリセット動作とハードリセット動作を組み合わせる方式では、残像およびリセットノイズは回避されるものの、入射光信号に対する出力信号の直線性が損なわれる可能性がある。
【００１５】
詳しくは図１２に示すように、先行フレームＦ（ｎ）での第３のリセット期間ＴR3直後のフォトダイオード電位ψPD（Ａ）は、その期間ＴR3中のサブスレッショルド電流により、リセットゲート電位ＲＧ（Ｈ）によるチャネルポテンシャルψRG（Ｈ）からΔＶ１（図１３参照）だけ深いポテンシャルになる。注目フレームＦ（ｎ＋１）での第１のリセット期間ＴR1直前のフォトダイオード電位は、先行フレームＦ（ｎ）での第３のリセット期間ＴR3以降の光信号蓄積期間ＴCHG内に入射光信号により発生した電荷により降下する。この電位降下量がΔＶ１以上の場合には、注目フレームの第１のリセット期間ＴR1直後のフォトダイオード電位は、ψPD（Ａ）と同じψPD（Ｂ）となる。
【００１６】
しかしながら、例えば入射光信号が無くて光信号蓄積期間ＴCHGにおける電位降下が０の場合には、注目フレームＦ（ｎ＋１）での第１のリセット期間ＴR1直前のフォトダイオード電位はψPD（Ａ）に留まる。注目フレームＦ（ｎ＋１）での第１のリセット期間ＴR1に生ずるサブスレッショルド電流により、フォトダイオード電位は、上述のψPD（Ａ）から更にΔＶ２（図１３参照）だけ深いψPD（Ｃ）になる。また、入射光信号が小さくて光信号蓄積期間ＴCHGにおける電位降下が０からΔＶ１までの範囲内である場合には、注目フレームＦ（ｎ＋１）での第１のリセット期間ＴR1直後のフォトダイオード電位は、ψPD（Ｂ）とψPD（Ｃ）の間の値になる。
【００１７】
図１４は、入射光強度が変化したときの、注目フレームの第１のリセット期間ＴR1直後のフォトダイオード電位（ポテンシャル）の変化を示している。なお、注目フレームの第１のリセット期間ＴR1直前のフォトダイオード電位を、読出信号レベルとしてψPD（Ｓ）で表す。また、注目フレームの第１のリセット期間ＴR1直後のフォトダイオード電位を、リセットレベルとしてψPD（Ｒ）で表す。このとき、画素出力信号Ｖｅｆｆは、次式（３）
Ｖｅｆｆ＝ψPD（Ｒ）−ψPD（Ｓ）                      …（３）
で表される。
【００１８】
ここで、図１４から分かるように、ψPD（Ｓ）は、ψPD（Ａ）を初期値とし、入射光強度が大きくなるにつれてそれに比例して直線的に低下する。ψPD（Ｒ）は、ψPD（Ｓ）のψPD（Ａ）からの変化量がΔＶ１以上になるような入射光強度ＰO以上では、一定値ψPD（Ｂ）となる。しかし、ＰO以下では、ψPD（Ｒ）は、入射光強度が小さくなるにつれて上昇し、入射光強度０のとき、ψPD（Ａ）からΔＶ２だけ高いψPD（Ｃ）となる。したがって、画素出力信号Ｖｅｆｆは、入射光強度ＰO以上では入射光強度に対して直線的に変化するが、入射光強度がＰO以下では入射光強度に対して直線的には変化しない。即ち、入射光強度が低いとき（入射光強度が０からＰOまでのとき）に、入射光信号に対する出力信号の直線性が保たれなくなる。
【００１９】
そこで、この発明の課題は、簡単な構成でリセットノイズと残像の両方を低減すると共に、入射光信号に対する出力信号の直線性を保持できる増幅型固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するため、この発明の増幅型固体撮像装置は、
複数配列された画素を備え、
上記各画素は少なくとも光電変換領域、この光電変換領域の電位が表す信号を増幅する信号増幅用電界効果トランジスタ、上記光電変換領域の電荷をドレインへ排出するためのリセット用電界効果トランジスタ、および画素選択用電界効果トランジスタを有し、
各画素においてフレーム毎に、上記光電変換領域の電位レベルを上記信号増幅用電界効果トランジスタを通して読み出す信号レベル読出期間と、上記リセット用電界効果トランジスタにサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる第１のリセット期間と、上記第１のリセット期間のソフトリセット動作によって上記光電変換領域が達した電位レベルを上記信号増幅用電界効果トランジスタを通して読み出すリセットレベル読出期間と、上記リセット用電界効果トランジスタに上記光電変換領域の電位をドレイン電位に固定するハードリセット動作を行わせる第２のリセット期間と、上記リセット用電界効果トランジスタにサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる第３のリセット期間と、をこの順に繰り返す制御を行う制御手段と、
上記第１のリセット期間におけるリセット用電界効果トランジスタのゲート電圧をＶ１、上記第２のリセット期間と第３のリセット期間におけるリセット用電界効果トランジスタのゲート電圧をＶ２、上記第１および第２のリセット期間以外の期間におけるリセット用電界効果トランジスタのゲート電圧をＶ４、リセット用電界効果トランジスタの閾値ゲート電圧をＶｔとそれぞれ表したとき、
|Ｖ１−Ｖｔ|≧|Ｖ２−Ｖｔ|＞|Ｖ４−Ｖｔ|              …（４）
なる関係を満たすように上記電圧Ｖ１、Ｖ２およびＶ４を設定する電圧設定手段とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
ここで「フレーム」とはこの固体撮像装置の周期的動作の基本となる期間を指し、２次元イメージセンサの場合は１画面を走査する期間に相当する。
【００２２】
また、上記式（４）中の、記号|ａ|はａの絶対値を表している。
【００２３】
また、上記式（４）中にＶｔが入っているので、上記リセット用電界効果トランジスタがＰチャネル型とＮチャネル型のいずれであっても、この発明は特定される。
【００２４】
この発明の増幅型固体撮像装置では、先行フレーム（注目しているフレームの直前のフレームを指す。）において最後に行われたリセット動作は、第３のリセット期間のソフトリセット動作である。このソフトリセット動作はハードリセット動作に引き続いて行われるため、このソフトリセット動作によって光電変換領域が達する電位は、入射光強度に関わらず、常に一定となる。
【００２５】
先行フレームの第３のリセット期間に引き続いて光電変換領域４に電荷を蓄積する期間（これを「光信号蓄積期間」と呼ぶ。）を経た後、注目フレーム（注目しているフレームを指す。）の信号レベル読出期間では、上記光電変換領域に蓄積された電荷による電位レベルが読み出される（このとき読み出された信号を「読出信号レベル」と呼ぶ。）。
【００２６】
次に、第１のリセット期間では、上記リセット用電界効果トランジスタにサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる。ここで|Ｖ１−Ｖｔ|≧|Ｖ２−Ｖｔ|なる関係があるため、ハードリセット動作に引き続いてソフトリセット動作を行った場合と同様に、このソフトリセット動作によって光電変換領域が達する電位は、入射光強度（言い換えれば、光信号蓄積期間内に光電変換領域に蓄積された電荷量）に関わらず、一定となる。
【００２７】
次に、リセットレベル読出期間では、上記第１のリセット期間のソフトリセット動作によって上記光電変換領域が達した電位レベルを上記信号増幅用電界効果トランジスタを通して読み出す（このとき読み出された信号を「読出リセットレベル」と呼ぶ。）。ソフトリセット動作ではメモリ効果のため、先行フレームでの最後のソフトリセット動作後のリセットノイズと、注目フレームでの最初のソフトリセット動作後のリセットノイズとは相関が生じる。このため、例えば上記読出信号レベルと読出リセットレベルとの間で相関２重サンプリング（ＣＤＳ）動作を行えば、リセットノイズが低減される。
【００２８】
しかも、既述のように、先行フレームでの第３のリセット期間のソフトリセット動作によって光電変換領域が達する電位と、注目フレームでの第１のリセット期間のソフトリセット動作によって光電変換領域が達する電位（読出リセットレベル）とが共に、入射光強度（言い換えれば、光信号蓄積期間内に光電変換領域に蓄積された電荷量）に関わらず、一定となっている。従って、読出信号レベルと読出リセットレベルとの差で表される画素出力信号を、入射光強度に対して直線的に変化させることができる。
【００２９】
次に、第２のリセット期間では、上記リセット用電界効果トランジスタに上記光電変換領域の電位をドレイン電位に固定するハードリセット動作を行わせる。上記光電変換領域の電位がドレイン電位に固定されるから、この段階で残像が解消される。
【００３０】
この後、第３のリセット期間では、上記リセット用電界効果トランジスタにサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる。このソフトリセット動作が行われた後に上記光電変換領域に蓄積された電荷は、さらに続くフレーム（注目フレームの直後のフレームを指す。）で読み出される。
【００３１】
このようにした場合、第２のリセット期間で残像を解消しているので、残像は１フレームのみに限定される。したがって、残像が低減されて、実用上問題にならなくなる。
【００３２】
また、この発明の特徴は、電圧設定手段によって|Ｖ１−Ｖｔ|≧|Ｖ２−Ｖｔ|＞|Ｖ４−Ｖｔ|なる関係を維持しつつ、制御手段が上記信号レベル読出期間、第１のリセット期間、リセットレベル読出期間、第２のリセット期間および第３のリセット期間を、この順に繰り返す制御を行う点にある。このような制御は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）によって容易に実現される。したがって、この発明の増幅型固体撮像装置は、特別な部品等を用いることなく、簡単に構成される。
【００３３】
このように、この発明の増幅型固体撮像装置によれば、簡単な構成でリセットノイズと残像の両方を低減できると共に、画素出力信号は、入射光強度に対して直線的に変化することになる。
【００３４】
一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記電圧設定手段は、上記第１のリセット期間直後の光電変換領域の電位が、光電変換領域への入射光強度に関わらず一定となるように、|Ｖ１−Ｖ２|の値を所定値よりも大きく設定することを特徴とする。
【００３５】
ここで「所定値」とは、第３のリセット期間（リセットゲート電位がＶ２の時）におけるチャネルポテンシャルと光電変換領域が達する電位との差ΔＶ１である。
【００３６】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、先行フレームでの第３のリセット動作によって光電変換領域が達する電位と、注目フレームでの第１のリセット動作によって光電変換領域が達する電位（読出リセットレベル）とが共に、入射光強度（言い換えれば、光信号蓄積期間内に光電変換領域に蓄積された電荷量）に関わらず、確実に一定となる。従って、読出信号レベルと読出リセットレベルとの差で表される画素出力信号は、入射光強度に対して直線的に変化することになる。
【００３７】
一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記電圧設定手段は、上記光電変換領域の入射光強度に対する電位変化が、入射光強度が低いときには線形的に変化し、入射光強度が高いときには対数的に変化するように、|Ｖ２−Ｖ４|の値を所定範囲内に設定することを特徴とする。
【００３８】
|Ｖ２−Ｖ４|の値が十分大きい場合には、光信号蓄積期間に光電変換された信号電荷は、光電変換領域に直線的に蓄積される。即ち、この増幅型固体撮像装置は、実質的に入射光強度の全域でリニア型光電変換特性を示す。一方、|Ｖ２−Ｖ４|の値が十分小さい場合には、サブスレッショルド動作となって、光電変換領域の電位は入射光強度に対して対数的に変化する。即ち、この増幅型固体撮像装置は、実質的に入射光強度の全域で対数型光電変換特性を示す。|Ｖ２−Ｖ４|の値が或る範囲内であれば、入射光強度が高い領域でサブスレッショルド動作となって対数型光電変換特性を示す一方、入射光強度が低い領域でリニア型光電変換特性を示す。そこで、一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上述のように、上記電圧設定手段によって、上記光電変換領域の入射光強度に対する電位変化が、入射光強度が低いときには線形的に変化する一方、入射光強度が高いときには対数的に変化するように、|Ｖ２−Ｖ４|の値を所定範囲内に設定する。これにより、この増幅型固体撮像装置は、対数変換型イメージセンサにも、線形変換型イメージセンサにも、いずれにも使用することが可能となる。
【００３９】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記信号レベル読出期間に読み出された信号と上記リセットレベル読出期間に読み出された信号との間で相関２重サンプリング動作を行う相関２重サンプリング手段を備えたことを特徴とする。
【００４０】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、相関２重サンプリング手段は、上記信号レベル読出期間に読み出された信号（読出信号レベル）と上記リセットレベル読出期間に読み出された信号（読出リセットレベル）との間で相関２重サンプリング動作を行う。したがって、さらにリセットノイズが低減される。
【００４１】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、
複数の上記画素がマトリクス状に配列され、
上記リセット用電界効果トランジスタのゲートは行単位でそれぞれ行方向に延びるリセットゲート線に接続され、
上記電圧設定手段は、上記リセットゲート線を介して上記リセット用電界効果トランジスタのゲートに行単位で、上記Ｖ１、Ｖ２およびＶ４の３値をとるパルス状の駆動電圧を順次印加する第１の走査回路を含むことを特徴とする。
【００４２】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記リセット用電界効果トランジスタのゲート電位が上記第１の走査回路によって行単位で制御される。
【００４３】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、
上記画素選択用電界効果トランジスタの一方の端子は列単位でそれぞれ列方向に延びる信号線に接続され、
上記画素選択用電界効果トランジスタのゲートは行単位でそれぞれ行方向に延びる画素選択線に接続され、
上記画素選択線を介して上記画素選択用電界効果トランジスタのゲートに行単位で２値のパルス状の駆動電圧を順次印加する第２の走査回路を備えたことを特徴とする。
【００４４】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記画素選択用電界効果トランジスタのゲート電位が上記第２の走査回路によって行単位で制御される。選択された画素からの信号は、信号線を通して出力される。
【００４５】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、
上記リセット用電界効果トランジスタのドレインは列単位でそれぞれ列方向に延びるドレイン線に接続され、
上記ドレイン線を介して上記リセット用電界効果トランジスタのドレインに２値のパルス状の駆動電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする。
【００４６】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記リセット用電界効果トランジスタのドレイン電位が上記電圧印加手段によって制御される。
【００４７】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記増幅用電界効果トランジスタのドレインは列単位でそれぞれ上記ドレイン線に接続されていることを特徴とする。
【００４８】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記増幅用電界効果トランジスタのドレイン電位が上記電圧印加手段によって制御される。
【００４９】
一実施形態の増幅型固体撮像装置は、
上記リセット用電界効果トランジスタのドレインは行単位でそれぞれ行方向に延びるリセットドレイン線に接続され、
上記リセットドレイン線を介して上記リセット用電界効果トランジスタのドレインに行単位で２値のパルス状の駆動電圧を順次印加する第３の走査回路を備えたことを特徴とする。
【００５０】
この一実施形態の増幅型固体撮像装置では、上記リセット用電界効果トランジスタのドレイン電位が上記第３の走査回路によって行単位で制御される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
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。なお、以下ではＮチャネル型トランジスタ（簡単のため、閾値ゲート電圧Ｖｔ＝０とする。）を採用した場合について述べるが、本発明はこれに限定されろものではなく、Ｐチャネル型トランジスタを採用した場合についても、電圧極性を逆にすることにより同様に議論することが可能である。
【００５２】
図７（ａ）は、本発明の一実施形態のＡＰＳ（Active Pixel Sensor）型２次元イメージセンサの回路構成を示している。なお、このイメージセンサでは複数の画素がマトリクス状に配列されているが、簡単のため、２行１列の２個の画素１０のみを図示している。行方向が水平方向、列方向が垂直方向に相当する。
【００５３】
図７（ａ）に示すように、各画素１０は、光電変換領域としての１個のフォトダイオード（ＰＤ）４と、３個のＮチャネル型ＭＯＳ型トランジスタ（Ｔｒ）１，２，３を備えている（ＰＤ＋３Ｔｒ方式）。１は信号増幅用ＭＯＳトランジスタ、２はリセット用ＭＯＳトランジスタ、３は画素選択用ＭＯＳトランジスタである。
【００５４】
フォトダイオード４のアノードは接地され、カソードは信号増幅用ＭＯＳトランジスタ１のゲートに接続されている。信号増幅用ＭＯＳトランジスタ１は、フォトダイオード４の電位（カソード電位。以下同様。）が表す信号を増幅する。画素選択用ＭＯＳトランジスタ３は、信号増幅用ＭＯＳトランジスタ１と信号線５との間に介挿されており、この画素を選択するために働く。リセット用ＭＯＳトランジスタ２は、フォトダイオード４のカソードとドレイン線６との間に介挿されており、フォトダイオード４の電荷（カソード領域の電荷、つまり電子。以下同様。）をドレインへ排出するために働く。
【００５５】
図７（ａ）に示すように、リセット用ＭＯＳトランジスタ２のゲートは行単位でそれぞれ行方向に延びるリセットゲート線８に接続されている。図示しない第１の走査回路によって、リセットゲート線８を介してリセット用ＭＯＳトランジスタ２のゲートに行単位で、３値（後述する図１（ｂ）に示すＶ１、Ｖ２およびＶ４）をとるパルス状の駆動電圧φRGが順次印加される。これにより、リセット用ＭＯＳトランジスタ２のゲート電位が行単位で制御される。なお、図中の（ｉ），（ｉ＋１），…は行番号を表す。リセット用ＭＯＳトランジスタ２のドレインは列単位でそれぞれ列方向に延びるドレイン線６に接続されている。図示しない電圧印加手段によって、ドレイン線６を介してリセット用ＭＯＳトランジスタ２のドレインに２値のパルス状の駆動電圧ＶP（後述する図１（ｃ）に示す信号φRD）が印加される。これにより、リセット用ＭＯＳトランジスタ２のドレイン電位が制御される。
【００５６】
また、この例では、増幅用ＭＯＳトランジスタ１のドレインも列単位でそれぞれ、リセット用ＭＯＳトランジスタ２のドレインと共通に上記ドレイン線６に接続されている（後述するように別々でもよい。）。これにより、上記駆動電圧ＶPによって、増幅用ＭＯＳトランジスタ１のドレイン電位が制御される。
【００５７】
また、画素選択用ＭＯＳトランジスタ３のゲートは行単位でそれぞれ行方向に延びる画素選択線７に接続されている。図示しない第２の走査回路によって、画素選択線７を介して画素選択用ＭＯＳトランジスタ３のゲートに行単位で２値のパルス状の駆動電圧φSELが順次印加される。これにより、画素選択用ＭＯＳトランジスタ３のゲート電位が行単位で制御される。画素選択用ＭＯＳトランジスタ３の一方の端子（信号増幅用ＭＯＳトランジスタ１とは反対側の端子）は列単位でそれぞれ列方向に延びる垂直信号線５に接続されている。選択された画素からの信号は、垂直信号線５を通して出力される。
【００５８】
垂直信号線５には定電流負荷となるＭＯＳトランジスタ３０（図１中に示すように、ゲートバイアス電圧としてＶL1が印加されている。）が接続されている。
【００５９】
垂直信号線５を通して出力される信号Ｖｏｕｔは、相関２重サンプリング回路５００へ導かれる。相関２重サンプリング回路５００では、後述する読出信号レベルと読出リセットレベルとの間で差をとるようになっている。
【００６０】
この２次元イメージセンサの全体の動作は、制御手段としてのＣＰＵ（中央演算処理回路）９０によって制御される。
【００６１】
図５は、上記駆動電圧φRGを生成する電圧設定手段としてのリセットゲート電圧作成回路の構成を示している。このリセットゲート電圧作成回路は、ノード３１１にそれぞれ一方の端子が接続されたＰチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０１，３０２およびＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０３と、さらにこのトランジスタ３０３に直列に接続されたＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０４とを備えている。Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０１，３０２の他方の端子はそれぞれ電圧源Ｖ１、Ｖ２に接続されている。Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０４の残りの端子は電圧源Ｖ４に接続されている。Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０１，３０２のバックゲートは電圧源ＶDにそれぞれ接続され、また、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０３，３０４のバックゲートはグランド（電位０）にそれぞれ接続されている。各電圧源が供給する電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４、ＶDの関係は、ＶD＞Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ４＞０となっている。
【００６２】
Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０１とＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０３のゲートには、上記ＶDと０との２値をとる制御パルス信号φR1が印加され、また、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０２とＮチャネル型ＭＯＳトランジスタ３０４のゲートには上記ＶDと０との２値をとる制御パルス信号φR2が印加されるようになっている。
【００６３】
図１中に示したＣＰＵ９０が図６（ａ），図６（ｂ）に示すタイミングで制御パルス信号φR1，φR2を順次印加することにより、上記電圧Ｖ１、Ｖ２およびＶ４の３値をとるパルス状の駆動電圧φRGがノード３１１から出力される。
【００６４】
図１は、ＣＰＵ９０の制御による或る画素の動作タイミングを示している。ここで、図１（ａ）は画素選択線７に印加される信号φSEL、図１（ｂ）はリセットゲート線８に印加される信号φRG、図１（ｃ）はドレイン線６に印加される信号φRD、図１（ｄ）はフォトダイオード４の電位ψPDを示している。１画面を走査する期間はフレームＦで表されている。なお、図中の（ｎ），（ｎ＋１），…はフレーム番号に相当し、先行フレーム（注目しているフレームの直前のフレームを指す。）はＦ（ｎ）、それに続く注目フレーム（注目しているフレームを指す。）はＦ（ｎ＋１）で表されている。
【００６５】
この２次元イメージセンサでは、フレームＦ毎に、信号レベル読出期間ＴS1と、第１のリセット期間ＴR1と、リセットレベル読出期間ＴS2と、第２のリセット期間ＴR2と、第３のリセット期間ＴR3とをこの順に繰り返すようになっている。第１のリセット期間ＴR1及び第３のリセット期間ＴR3では、リセット用ＭＯＳトランジスタ２にソフトリセット動作を行わせる一方、第２のリセット期間ＴS2では、リセット用ＭＯＳトランジスタ２にハードリセット動作を行わせるようになっている。また、リセットゲート電位φRGの値は、第１のリセット期間ＴR1ではＶ１、第２および第３のリセット期間ＴS2ではＶ２、その他の期間ＴR3ではＶ４としている。
【００６６】
以下では、フレームＦ（ｎ＋１）に注目して説明する。
【００６７】
ｉ）  まず、信号レベル読出期間ＴS1には、信号φSELがハイになって画素選択用トランジスタ３がオンになる。これにより、フォトダイオード４の電位レベルが信号増幅用ＭＯＳトランジスタ１、画素選択用トランジスタ３を通して信号線５に信号Ｖｏｕｔとして読み出される。
【００６８】
ここで、先行フレームＦ（ｎ）において最後に行われたリセット動作は、第３のリセット期間ＴR3のソフトリセット動作である（リセットゲート電位φRG＝Ｖ２）。このソフトリセット動作はハードリセット動作に引き続いて行われるため、このソフトリセット動作によってフォトダイオード４が達する電位ψPD（Ａ）は、入射光強度に関わらず、常に一定となる（図２のポテンシャル図参照。）。
【００６９】
先行フレームＦ（ｎ）の第３のリセット期間ＴR3に引き続いてフォトダイオード４に電荷を蓄積する光信号蓄積期間ＴCHGを経た後、注目フレームＦ（ｎ＋１）の信号レベル読出期間ＴS1では、フォトダイオード４に蓄積された電荷による電位レベルψPD（Ｓ）が読み出される（このとき読み出された信号を「読出信号レベル」と呼ぶ。）。
【００７０】
ii）  次に、第１のリセット期間ＴR1には、信号φSELがローになって画素選択用トランジスタ３がオフになる。そして、リセット用ＭＯＳトランジスタ２にサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる（リセットゲート電位φRG＝Ｖ１）。
【００７１】
ここでＶ１≧Ｖ２なる関係があるため、ハードリセット動作に引き続いてソフトリセット動作を行った場合と同様に、このソフトリセット動作によってフォトダイオード４が達する電位ψPD（Ｄ）は、入射光強度（言い換えれば、光信号蓄積期間ＴCHG内にフォトダイオード４に蓄積された電荷量）に関わらず、一定となる（図２のポテンシャル図参照。）。
【００７２】
なお、このフォトダイオード電位ψPD（Ｄ）が入射光強度に依存しないのを確実にするために、|Ｖ１−Ｖ２|の値を、第３のリセット期間ＴR3（リセットゲート電位φRG＝Ｖ２時）におけるチャネルポテンシャルψ（Ｖ２）とフォトダイオード４が達する電位ψPD（Ａ）との差ΔＶ１よりも大きく設定するのが望ましい。
【００７３】
iii）  次に、リセットレベル読出期間ＴS2には、信号φSELがハイになって画素選択用トランジスタ３がオンになる。これにより、フォトダイオード４の電位レベルψPD（Ｒ）が信号増幅用ＭＯＳトランジスタ１、画素選択用トランジスタ３を通して信号線５に読み出される。このとき読み出された信号ψPD（Ｒ）を「読出リセットレベル」と呼ぶ。
【００７４】
ここで、ソフトリセット動作ではメモリ効果のため、先行フレームＦ（ｎ）での最後のソフトリセット動作後のリセットノイズと、注目フレームＦ（ｎ＋１）での最初のソフトリセット動作後のリセットノイズとは相関が生じる。このため、相関２重サンプリング（ＣＤＳ）動作を行って、上記読出信号レベルψPD（Ｓ）と読出リセットレベルψPD（Ｒ）との間で差（これを「画素出力信号」と呼ぶ。）Ｖｅｆｆをとれば、リセットノイズが大幅に低減される。なお、この例では、画素出力信号Ｖｅｆｆは、
Ｖｅｆｆ＝ψPD（Ｒ）−ψPD（Ｓ）
で表される。
【００７５】
しかも、既述のように、先行フレームＦ（ｎ）での第３のリセット期間ＴR3のソフトリセット動作によってフォトダイオード４が達する電位と、注目フレームでの第１のリセット期間ＴR1のソフトリセット動作によってフォトダイオード４が達する電位（読出リセットレベル）とが共に、入射光強度（言い換えれば、光信号蓄積期間ＴCHG内にフォトダイオード４に蓄積された電荷量）に関わらず、一定となっている。従って、図３に示すように、読出信号レベルψPD（Ｓ）と読出リセットレベルψPD（Ｒ）との差で表される画素出力信号Ｖｅｆｆを、入射光強度に対して直線的に変化させることができる。
【００７６】
iv）  次に、第２のリセット期間ＴR2には、信号φSELがローになって画素選択用トランジスタ３がオフになる。そして、リセット用ＭＯＳトランジスタ２にフォトダイオード４の電位をドレイン電位に固定するハードリセット動作を行わせる。フォトダイオード４の電位フォトダイオードの電位がドレイン電位に固定されるから、この段階で残像が解消される。
【００７７】
ｖ）  この後、第３のリセット期間ＴR3では、リセット用ＭＯＳトランジスタ２にサブスレショルド電流によるソフトリセット動作を行わせる（リセットゲート電位φRG＝Ｖ２）。このソフトリセット動作が行われた後にフォトダイオード４に蓄積された電荷は、さらにフレーム（ｎ＋１）の直後のフレームで読み出される。
【００７８】
このようにした場合、第２のリセット期間ＴR2で残像を解消しているので、残像は１フレームのみに限定される。したがって、残像が低減されて、実用上問題にならなくなる。
【００７９】
また、フレームＦ毎に、信号レベル読出期間ＴS1と、第１のリセット期間ＴR1と、リセットレベル読出期間ＴS2と、第２のリセット期間ＴR2と、第３のリセット期間ＴR3とをこの順に繰り返すような制御は、ＣＰＵ９０によって容易に実現される。したがって、この２次元イメージセンサは、特別な部品等を用いることなく、簡単に構成される。
【００８０】
上の例では、増幅用ＭＯＳトランジスタ１のドレインとリセット用ＭＯＳトランジスタ２のドレインとが共通に列単位でそれぞれドレイン線６に接続されていたが、これに限られるものではなく、図７（ｂ）に示すように両者が別々になっていても良い。図７（ｂ）の例では、リセット用ＭＯＳトランジスタ２のドレインは行単位でそれぞれ行方向に延びるリセットドレイン線６１に接続されている。図示しない第３の走査回路によって、リセットドレイン線６１を介してリセット用ＭＯＳトランジスタ２のドレインに行単位で２値のパルス状の駆動電圧φRDが順次印加される。これにより、リセット用ＭＯＳトランジスタ２のドレイン電位が行単位で制御される。一方、増幅用ＭＯＳトランジスタ１のドレインは列単位でそれぞれ列方向に延びるドレイン線６２に接続されている。ドレイン線６２を介して増幅用ＭＯＳトランジスタ１のドレインにＤＣ電位ＶDが印加される。この図７（ｂ）の回路は、増幅用ＭＯＳトランジスタ１のドレイン電位がＶDに固定されている以外は、図１、図２、図３を用いて説明したのと同様に動作する。
【００８１】
また、当然ながら、トランジスタ１，２，３としては、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ以外の電界効果トランジスタを用いることもできる。
【００８２】
図１（ｂ）に示したリセットゲート電位φRGがとる値Ｖ２とＶ４との差|Ｖ２−Ｖ４|は、任意に設定可能である。|Ｖ２−Ｖ４|の値が十分大きい場合には、光信号蓄積期間ＴCHGに光電変換された信号電荷は、フォトダイオード４に直線的に蓄積される。即ち、この増幅型固体撮像装置は、図４中に符号８０で示すように、実質的に入射光強度の全域でリニア型光電変換特性を示す。|Ｖ２−Ｖ４|が低下して或る範囲内になれば、図４中に符号８１で示すように、入射光強度が大きい領域でサブスレッショルド動作となり、フォトダイオード４の電位は入射光強度に対して対数的に変化するようになる。即ち、リニア型光電変換特性と対数型光電変換特性を共に備える特性を示す。|Ｖ２−Ｖ４|の値が十分小さい場合には、実質的に入射光強度の全域でサブスレッショルド動作となって、フォトダイオード４の電位は入射光強度に対して対数的に変化する。即ち、この増幅型固体撮像装置は、実質的に入射光強度の全域で対数型光電変換特性を示す。このように、|Ｖ２−Ｖ４|の値を或る範囲内に設定すれば、入射光強度が高い領域でサブスレッショルド動作となって対数型光電変換特性を示す一方、入射光強度が低い領域でリニア型光電変換特性を示す。これにより、この増幅型固体撮像装置は、対数変換型イメージセンサにも、線形変換型イメージセンサにも、いずれにも使用することが可能となる。
【００８３】
なお、上記第２のリセット期間ＴR2と第３のリセット期間ＴR3とでリセットゲート電位φRGを変えて、第３のリセット期間ＴR3におけるリセットゲート電位φRGをＶ３（ただし、Ｖ３≠Ｖ２である。）に設定しても良い。この場合、次の２式
|Ｖ１−Ｖｔ|≧|Ｖ２−Ｖｔ|＞|Ｖ４−Ｖｔ|
|Ｖ１−Ｖｔ|≧|Ｖ３−Ｖｔ|＞|Ｖ４−Ｖｔ|
を満たせば、本発明の効果が得られる。つまり、簡単な構成でリセットノイズと残像の両方を低減すると共に、入射光信号に対する出力信号の直線性が保持される。ただし、上述の実施形態のように上記第２のリセット期間ＴR2と第３のリセット期間ＴR3とでリセットゲート電位φRGを共通（Ｖ３＝Ｖ２）とすれば、リセットゲート電位φRGを生成する回路を簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の一実施形態のＡＰＳ型イメージセンサにおける或る画素の動作タイミングを示す図である。
【図２】図１に示した動作に従う画素のフォトダイオードのポテンシャル電位の変化を模式的に示す図である。
【図３】図１に示した動作に従う画素の、入射光信号に対する応答を示す図である。
【図４】図１に示した動作に従う画素の、リセットゲート電位を変更したときの入射光信号に対する応答の変化を示す図である。
【図５】図１に示した動作に従う画素のための、リセットゲート電位を作成する回路の例を示した図である。
【図６】図５に示した回路の動作タイミングを示す図である。
【図７】図７（ａ）は２次元イメージセンサの回路構成を例示する図、図７（ｂ）は同図（ａ）に示したものの変形例を示す図である。
【図８】従来のＡＰＳ型イメージセンサの、４画素を含む回路構成を示す図である。
【図９】上記イメージセンサの画素のハードリセット動作によるポテンシャル電位を示す図である。
【図１０】上記イメージセンサの画素のソフトリセット動作によるポテンシャル電位を示す図である。
【図１１】従来のＡＰＳ型イメージセンサの動作タイミングを示す図である。
【図１２】上記従来のＡＰＳ型イメージセンサの或る画素の動作を解析して示す図である。
【図１３】上記従来のＡＰＳ型イメージセンサの或る画素のフォトダイオードの電位の変化を示す図である。
【図１４】上記従来のＡＰＳイメージセンサの或る画素の入射光に対する応答を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１  信号増幅用ＭＯＳトランジスタ
２  リセット用ＭＯＳトランジスタ
３  画素選択用ＭＯＳトランジスタ
１０  画素
【図１】
2005123950.tif 000003
【図２】
2005123950.tif 000004
【図３】
2005123950.tif 000005
【図４】
2005123950.tif 000006
【図５】
2005123950.tif 000007
【図６】
2005123950.tif 000008
【図７】
2005123950.tif 000009
【図８】
2005123950.tif 000010
【図９】
2005123950.tif 000011
【図１０】
2005123950.tif 000012
【図１１】
2005123950.tif 000013
【図１２】
2005123950.tif 000014
【図１３】
2005123950.tif 000015
【図１４】
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