(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と、上記光電変換素子からの信号電荷を信号電荷蓄積部に転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部と、
上記転送トランジスタから転送された上記光電変換素子の信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部と、
上記信号電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、
上記信号電荷蓄積部の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタと、
上記増幅トランジスタの出力側が直接接続された読み出し信号線と、
上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間に設けられ、上記読み出し信号線の電位を上記信号電荷蓄積部側にフィードバックするためのキャパシタンス要素と、
上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内の後側で上記リセットトランジスタのドレイン電圧を第１所定期間ローレベルとし、その第１所定期間以外の期間は上記リセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルに保持するように、上記リセットトランジスタのドレイン電圧を制御する制御部と
を備え、
上記キャパシタンス要素は、上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間の配線間容量または上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間に接続されたキャパシタのうちの少なくとも上記配線間容量で形成されており、
上記制御部は、
上記光電変換素子に蓄積した電荷を排出するシャッタ動作において、上記リセットトランジスタを２回オンし、上記シャッタ動作における上記リセットトランジスタの１回目のオン期間に上記リセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルとし、上記シャッタ動作における上記リセットトランジスタの２回目のオン期間に上記リセットトランジスタのドレイン電圧をローレベルとすると共に、
上記シャッタ動作における上記リセットトランジスタの１回目のオン期間に上記転送トランジスタを同時にオンすることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項２】
光電変換素子と、上記光電変換素子からの信号電荷を信号電荷蓄積部に転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部と、
上記転送トランジスタから転送された上記光電変換素子の信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部と、
上記信号電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、
上記信号電荷蓄積部の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタと、
上記増幅トランジスタの出力側が直接接続された読み出し信号線と、
上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間に設けられ、上記読み出し信号線の電位を上記信号電荷蓄積部側にフィードバックするためのキャパシタンス要素と、
上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内に上記リセットトランジスタを第２所定期間オフとし、その第２所定期間以外の期間は上記リセットトランジスタをオンに保持するように、上記リセットトランジスタのゲート電位を制御する制御部と
を備え、
上記キャパシタンス要素は、上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間の配線間容量または上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間に接続されたキャパシタのうちの少なくとも上記配線間容量で形成されており、
上記制御部は、
上記光電変換素子に蓄積した電荷を排出するシャッタ動作において、上記リセットトランジスタをオンした状態で、上記リセットトランジスタのドレイン電圧をローレベルから第３所定期間ハイレベルにした後にローレベルとすると共に、
上記第３所定期間の間に上記転送トランジスタをオン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または２に記載の増幅型固体撮像装置において、
複数の上記光電変換転送部の各転送トランジスタの出力側が１つの上記信号電荷蓄積部に共通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４】
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、
上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内に上記リセットトランジスタを２回オンし、上記リセットトランジスタの１回目の第１オン期間を上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内の前側とし、上記リセットトランジスタの２回目の第２オン期間を上記第１所定期間内とすると共に、
上記第１オン期間と上記第２オン期間との間の第３期間に上記転送トランジスタをオン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２に記載の増幅型固体撮像装置において、
上記制御部は、
上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内でかつ上記第２所定期間前から上記第２所定期間の少なくとも一部を含む期間まで上記リセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルとすると共に、
上記第２所定期間の間に上記転送トランジスタをオン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から５までのいずれか１つに記載の増幅型固体撮像装置において、
上記リセットトランジスタのゲートがハイレベルのとき、上記リセットトランジスタのチャネルポテンシャルがドレイン電圧より低いことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１つに記載の増幅型固体撮像装置において、
上記リセットトランジスタは、デプレッション型のＭＯＳ型トランジスタであ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１から６までのいずれか１つに記載の増幅型固体撮像装置において、
上記リセットトランジスタは、エンハンスメント型のＭＯＳ型トランジスタ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１から８までのいずれか１つに記載の増幅型固体撮像装置において、
上記光電変換素子は、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、画素部に増幅回路を有する増幅型固体撮像装置に関し、より詳しくは、増幅型固体撮像装置の小型化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、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配置された走査回路とを有し、その走査回路により画素部から画素データを読み出すものが普及している。
【０００３】
そのような増幅型固体撮像装置の一例としては、画素部が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。ＡＰＳ型イメージセンサの中でも、近年は高画質が得られる４トランジスタ型が主流となりつつある。
【０００４】
図１３は、従来の増幅型固体撮像装置おいて、画素部１１０内に４つのＭＯＳ型トランジスタを備えた４トランジスタ型の画素構成を示す回路図である。ここで、受光部１０１は通常埋め込みフォトダイオードで構成され、受光部１０１から信号電荷蓄積部１０３に転送トランジスタ１０２を介して信号電荷が転送される。上記信号電荷蓄積部１０３は、受光部１０１から信号電荷が転送される前に、リセットトランジスタ１０４によりドレイン電圧Ｖｄにリセットされる。次いで、転送トランジスタ１０２がオンとなり信号電荷が信号電荷蓄積部１０３に転送される。リセット後および信号電荷転送後の信号電荷蓄積部１０３の電位ＦＤは、増幅トランジスタ１０５により増幅され、選択トランジスタ１０６を介して読み出し信号線１０７に読み出され、末端に接続された定電流負荷１１１で受けて、後段に出力される。
【０００５】
このような構成の増幅型固体撮像装置では、画素内に複数個のトランジスタが必要であるが、画素サイズを縮小するために、画素内のトランジスタ数を削減する方法が提案されている。この画素内のトランジスタ数を削減する方法の１つとして選択トランジスタを削減する方法がある(例えば、特開平１１−１１２０１８号公報(特許文献１)参照)。
【０００６】
図１４は上記選択トランジスタを削減した増幅型固体撮像装置の画素構成を示しており、駆動タイミングを図１５に示している。図１４において、２０１は受光部、２０２は転送トランジスタ、２０３は信号電荷蓄積部、２０４はリセットトランジスタ、２０５は増幅トランジスタ、２０７は読み出し信号線、２１１は定電流負荷である。
【０００７】
図１４の増幅型固体撮像装置において画素を読み出すとき、図１５(a)および(b)に示すように、まず第１期間ｔ１１において、リセットドレイン信号ＲＤとリセット信号ＲＳＴを同時にハイレベルとし、信号電荷蓄積部２０３をハイレベルにリセットする。次いで、リセット信号ＲＳＴをローレベルとして信号電荷蓄積部１０３をフローティング状態とし、そのときの信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤをリセットレベルＶrstとして読み出す。
【０００８】
その後、第３期間ｔ１３において、転送制御信号ＴＸをハイレベルとし、受光部１からの信号電荷を信号電荷蓄積部２０３に転送する。電荷転送後の信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤを信号レベルＶsigとして読み出す。
【０００９】
最後に、第２期間ｔ１２において、再度リセット信号ＲＳＴをハイレベルとすると共にリセットドレイン信号ＲＤはローレベルとし、信号電荷蓄積部２０３をローレベルにリセットする。すなわち、読み出し動作が終了した画素の信号電荷蓄積部２０３はローレベルに保持される。
【００１０】
以上の動作により、非選択画素では信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤがローレベルであり、読み出し画素の信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤと十分な電位差があれば、選択トランジスタなしであっても、読み出し信号線２０７には、読み出し画素信号のみが読み出される。
【００１１】
ここで図１５(a)の場合、信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤは、第２期間ｔ１２で一度ローレベルとされた後はフローティング状態であり、強い入射光などにより過剰な電荷が流入すると、信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤが下がり、受光部２０１に電荷が逆流する恐れがある。そのため、図１５(b)のように、非読み出し期間の間リセット信号ＲＳＴをハイレベルとして信号電荷蓄積部１０３をリセットドレイン信号ＲＤに接続し、リセットドレイン信号ＲＤをローレベルに保持することにより、信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤをローレベルに固定する方法が提案されている。この場合には、過剰電荷の信号電荷蓄積部２０３への流入があっても、受光部２０１ヘの逆流は防止される。
【００１２】
しかしながら、上記選択トランジスタを削減した増幅型固体撮像装置には、次のような課題が存在する。
【００１３】
１つは、動作マージンが狭いという課題である。図１４におけるリセットトランジスタ２０４のゲート電圧とチャネルポテンシャルとの関係を図１６に示す。ゲート電圧がハイレベル(Ｖｄ)のとき、チャネルポテンシャルはψH(E)とＶｄより低い値となり、信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤの上限を決める。信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤの下限は、転送トランジスタ２０２がオフのときのポテンシャルψBL付近となる。図１４の構成では、選択トランジスタを有しないため、選択画素と非選択画素との間には、一定量のポテンシャルマージン(検出マージンΔψ)が必要である。このため、信号マージンは信号電荷蓄積部２０３の電位ＦＤの上限ψH(E)と下限ψBLの幅から検出マージンΔψを除いた量となり、電源電圧Ｖｄに比べ相当に狭い値とならざるを得ない。
【００１４】
もう１つは、電荷注入リスクという課題である。図１７Ａ〜図１７Ｃは、図１４における各部の動作をポテンシャル分布図で示しており、図１７Ａ〜図１７Ｃにおいて、「ＰＤ」は受光部２０１、「ＴＸ」は転送トランジスタ２０２のチャネル、「ＦＤ」は信号電荷蓄積部２０３、「ＲＳＴ」はリセットトランジスタ２０４のチャネル、「ＲＤ」はリセットトランジスタ２０４のドレインを表している。
【００１５】
図１７Ａはリセット動作を示し、図１７Ａは図１５(a)のタイミングでの蓄積動作を示し、図１７Ｃは図１５(b)のタイミングでの蓄積動作を示している。図１７Ｂの場合には、上記のように、過大光入射時にブルーミングの可能性がある。図１７Ｃの場合には、ブルーミングは防止されるが、ψH(E)とψBLとのポテンシャルマージンが少ないと、信号電荷蓄積部から受光部に電荷が逆流する可能性がある。この現象は、低光量時には受光部ポテンシャルが深くなっており、より発生し易く、画像としては白傷となる。
【特許文献１】特開平１１−１１２０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、この発明の目的は、画素内のトランジスタ数を削減しても、動作マージンを確保できる増幅型固体撮像装置を提供することにある。
【００１７】
さらに、この発明のもう１つの目的は、上記増幅型固体撮像装置においてブルーミングや白傷を大幅に低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
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、上記光電変換素子からの信号電荷を信号電荷蓄積部に転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部と、
上記転送トランジスタから転送された上記光電変換素子の信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部と、
上記信号電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、
上記信号電荷蓄積部の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタと、
上記増幅トランジスタの出力側が直接接続された読み出し信号線と、
上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間に設けられ、上記読み出し信号線の電位を上記信号電荷蓄積部側にフィードバックするためのキャパシタンス要素と、
上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内の後側で上記リセットトランジスタのドレイン電圧を第１所定期間ローレベルとし、その第１所定期間以外の期間は上記リセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルに保持するように、上記リセットトランジスタのドレイン電圧を制御する制御部と
を備え、
上記キャパシタンス要素は、上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間の配線間容量または上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間に接続されたキャパシタのうちの少なくとも上記配線間容量で形成されており、
上記制御部は、
上記光電変換素子に蓄積した電荷を排出するシャッタ動作において、上記リセットトランジスタを２回オンし、上記シャッタ動作における上記リセットトランジスタの１回目のオン期間に上記リセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルとし、上記シャッタ動作における上記リセットトランジスタの２回目のオン期間に上記リセットトランジスタのドレイン電圧をローレベルとすると共に、
上記シャッタ動作における上記リセットトランジスタの１回目のオン期間に上記転送トランジスタを同時にオンすることを特徴とする。
【００１９】
上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、リセットトランジスタの動作時、まず信号電荷蓄積部の電位が上昇し、その信号電荷蓄積部の電位を増幅トランジスタにより増幅して読み出し信号線の電位が上昇する。この読み出し信号線の電位の上昇は、信号電荷蓄積部と読み出し信号線との間に挿入されたキャパシタンス要素により信号電荷蓄積部側にフィードバックされ、信号電荷蓄積部の電位をさらに上昇させる。これにより、信号電荷蓄積部のリセットレベルを高い電位まで高めることができ、信号電荷蓄積部における信号マージンを拡大することが可能となる。したがって、画素内のトランジスタ数を削減しても、動作マージンを確保できる。
また、特別にキャパシタンス素子を設けずとも、画素レイアウトの工夫により配線間容量でキャパシタンス成分を付加でき、画素面積の縮小に有利となる。
また、上記制御部によりリセットトランジスタのドレイン電圧を制御して、信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内の後側でリセットトランジスタのドレイン電圧を第１所定期間ローレベルとしてリセットトランジスタをオンすることによって、読み出し動作が終了した画素の信号電荷蓄積部の電位をローレベルに保持できる。
また、光電変換素子に蓄積した電荷を排出するシャッタ動作の１回目のオン期間、リセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルにした状態では、信号電荷蓄積部の電位がハイインピーダンス状態のため、読み出し信号線の電位の上昇によって、キャパシタンス要素を介して信号電荷蓄積部の電位をさらに上昇させる。これにより、光電変換素子からの電荷をリセットトランジスタのドレイン側に排出する。次にシャッタ動作の２回目のオン期間、リセットトランジスタのドレイン電圧をローレベルとし、シャッタ動作が終了した画素の信号電荷蓄積部の電位をローレベルに保持する。したがって、シャッタ動作時においても、選択トランジスタ無しで、読み出し画素の信号をシャッタ動作に影響されずに正しく読み出すことが可能となる。
また、この発明の増幅型固体撮像装置は、
光電変換素子と、上記光電変換素子からの信号電荷を信号電荷蓄積部に転送する転送トランジスタとを有する光電変換転送部と、
上記転送トランジスタから転送された上記光電変換素子の信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部と、
上記信号電荷蓄積部の電位をリセットするリセットトランジスタと、
上記信号電荷蓄積部の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタと、
上記増幅トランジスタの出力側が直接接続された読み出し信号線と、
上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間に設けられ、上記読み出し信号線の電位を上記信号電荷蓄積部側にフィードバックするためのキャパシタンス要素と、
上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内に上記リセットトランジスタを第２所定期間オフとし、その第２所定期間以外の期間は上記リセットトランジスタをオンに保持するように、上記リセットトランジスタのゲート電位を制御する制御部と
を備え、
上記キャパシタンス要素は、上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間の配線間容量または上記信号電荷蓄積部と上記読み出し信号線との間に接続されたキャパシタのうちの少なくとも上記配線間容量で形成されており、
上記制御部は、
上記光電変換素子に蓄積した電荷を排出するシャッタ動作において、上記リセットトランジスタをオンした状態で、上記リセットトランジスタのドレイン電圧をローレベルから第３所定期間ハイレベルにした後にローレベルとすると共に、
上記第３所定期間の間に上記転送トランジスタをオンすることを特徴とする。
上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、リセットトランジスタの動作時、まず信号電荷蓄積部の電位が上昇し、その信号電荷蓄積部の電位を増幅トランジスタにより増幅して読み出し信号線の電位が上昇する。この読み出し信号線の電位の上昇は、信号電荷蓄積部と読み出し信号線との間に挿入されたキャパシタンス要素により信号電荷蓄積部側にフィードバックされ、信号電荷蓄積部の電位をさらに上昇させる。これにより、信号電荷蓄積部のリセットレベルを高い電位まで高めることができ、信号電荷蓄積部における信号マージンを拡大することが可能となる。したがって、画素内のトランジスタ数を削減しても、動作マージンを確保できる。
また、特別にキャパシタンス素子を設けずとも、画素レイアウトの工夫により配線間容量でキャパシタンス成分を付加でき、画素面積の縮小に有利となる。
また、シャッタ動作時、リセットトランジスタがオン状態でかつリセットトランジスタのドレイン電位がハイレベルの第３所定期間の間に、転送トランジスタをオンとすることにより、光電変換素子に蓄積した電荷を排出することができる。更に、シャッタ動作終了後は、光電変換転送部がマトリックス状に配列された増幅型固体撮像装置において、信号電荷蓄積部の電位がローレベルに固定され、別の行の読み出し動作が行われるから、シャッタ動作する行が読み出し動作する行に影響を与えることがない。
【００２０】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、複数の上記光電変換転送部の各転送トランジスタの出力側が１つの上記信号電荷蓄積部に共通に接続されてい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、信号電荷蓄積部とリセットトランジスタおよび増幅トランジスタを複数の光電変換転送部で共有することによって、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って、画素の小型化に有利となる。
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
また、その第１所定期間以外の期間はリセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルに保持し、リセットトランジスタをデプレッション型とすることによって、リセットトランジスタのゲートがローレベルであってもソースとなる信号電荷蓄積部の電位をオフリーク電流により一定量の正電位に保持できる。
【００２７】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、
上記制御部が、
上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内に上記リセットトランジスタを２回オンし、上記リセットトランジスタの１回目の第１オン期間を上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内の前側とし、上記リセットトランジスタの２回目の第２オン期間を上記第１所定期間内とすると共に、
上記第１オン期間と上記第２オン期間との間の第３期間に上記転送トランジスタをオン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、上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間のリセットトランジスタの１回目の第１オン期間のリセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルとしてリセットトランジスタをオンすることによって、信号電荷蓄積部のリセットレベルにした後、第１オン期間と第２オン期間との間の第３期間に転送トランジスタをオンして、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。そして、上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間かつ第１所定期間内の２回目の第２オン期間にリセットトランジスタのドレイン電圧をローレベルとしてリセットトランジスタをオンすることによって、読み出し動作が終了した画素の信号電荷蓄積部の電位をローレベルに保持することができる。
【００２９】
【００３０】
【００３１】
更に好ましくは、上記制御部は、上記信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内でかつ上記第２所定期間前から上記第２所定期間の少なくとも一部を含む期間まで上記リセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルとすると共に、上記第２所定期間の間に上記転送トランジスタをオンすることを特徴とする。
【００３２】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、上記制御部によりリセットトランジスタのオンオフを制御すると共に、リセットトランジスタのドレイン電圧を制御し、信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間内でかつ第２所定期間前から上記第２所定期間の少なくとも一部を含む期間まで、リセットトランジスタがオン状態のときにリセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルとすることによって、リセット動作を行う。その後、リセットトランジスタをオフにして、リセット読み出しを行う。更にリセットトランジスタのオフ状態を継続して、上記転送トランジスタがオンになった後、信号のレベル読み出しを行う。
次に、信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間が終了すると、リセットトランジスタのドレイン電圧をローレベルとしてリセットトランジスタをオン状態に保持することによって、信号電荷蓄積部の電位をローレベルに固定でき、非選択動作とすることができる。更に、光電変換素子に信号電荷を蓄積する期間の間、信号電荷蓄積部で発生ないし流入する不要電荷を排出することが可能となり、ブルーミングや白傷発生を防止することができる。
【００３３】
【００３４】
【００３５】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記リセットトランジスタのゲートがハイレベルのとき、上記リセットトランジスタのチャネルポテンシャルがドレイン電圧より低いことを特徴とする。
【００３６】
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のゲートがハイレベルのとき、リセットトランジスタのチャネルポテンシャルをドレイン電圧より低くすることによって、読み出し信号線の電位上昇がキャパシタンス要素によりフィードバックされるとき、信号電荷蓄積部はハイインピーダンス状態となるため、信号電荷蓄積部の電位を上昇させる効果が高い。
【００３７】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記リセットトランジスタが、デプレッション型のＭＯＳ型トランジスタであることが望ましい。
【００３８】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、リセットトランジスタにデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタを用いることによって、蓄積時(非読み出し期間)に強い入射光などにより過剰な電荷が信号電荷蓄積部に流入しても、オフリーク電流によりリセットトランジスタのドレインに排出され、ブルーミングを抑圧することが可能となる。さらに、蓄積時(非読み出し期間)に信号電荷蓄積部がフローティング状態となって低いＤＣ電位に固定されないから、信号電荷蓄積部から受光部に電荷が注入される可能性もないので、白傷発生も抑圧される。
【００３９】
また、一実施形態の増幅型固体撮像装置は、上記リセットトランジスタが、エンハンスメント型のＭＯＳ型トランジスタであることを特徴とする。
【００４０】
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のゲートがハイレベルのとき、リセットトランジスタのチャネルポテンシャルをドレイン電圧より確実に低くすることが可能となる。これにより、読み出し信号線の電位上昇がキャパシタンス要素によりフィードバックされるとき、信号電荷蓄積部はハイインピーダンス状態となるため、信号電荷蓄積部の電位を上昇させる効果が高い。
また、本実施形態を、信号電荷蓄積部の電位を読み出す期間にリセットトランジスタのドレイン電圧をハイレベルとし、それ以外の期間はリセットトランジスタのドレイン電圧をローレベルに保持するように、リセットトランジスタのドレイン電圧を制御する方法と組み合わせた場合、信号電荷蓄積部の電位をローレベルに固定できる。これにより、光電変換部に信号電荷を蓄積する期間の間、信号電荷蓄積部で発生ないし流入する不要電荷を排出することが可能となり、エンハンスメント型でありながら、ブルーミングや白傷発生を防止することができる。
【００４１】
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。
【００４２】
上記実施形態の増幅型固体撮像装置によれば、光電変換素子から信号電荷蓄積部への電荷転送を完全化することが容易となり、さらに光電変換素子で発生する暗電流を低減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る。
【発明の効果】
【００４３】
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、画素内のトランジスタ数を削減しても、動作マージンを確保できる増幅型固体撮像装置を実現することができる。
【００４４】
また、この発明の増幅型固体撮像装置によれば、ブルーミングや白傷を大幅に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
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。
【００４６】
(第１実施形態)
図１は、この発明の第１実施形態の増幅型固体撮像装置の画素部を示す回路図である。この第１実施形態の増幅型固体撮像装置は、マトリックス状に配列された複数の画素部１０と、上記画素部１０を制御する制御部の一例としての走査回路２０とを備えている。図１では、画素部１０は２つのみを示す。上記画素部１０および走査回路２０を半導体基板(図示せず)上に形成している。ここで、画素部１０は、ある列のｉ行目とｉ＋１行目を示している。
【００４７】
上記画素部１０は、光電変換素子の一例として埋め込み型フォトダイオードを用いた受光部１と、上記受光部１からの信号電荷を転送する転送トランジスタ２と、上記転送トランジスタ２から転送された受光部１の信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３と、上記信号電荷蓄積部３の電位をリセットするリセットトランジスタ４と、上記信号電荷蓄積部３の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタ５とを有している。上記増幅トランジスタ５により増幅された信号電荷蓄積部３の電位を、増幅トランジスタ５の出力側に直接接続された読み出し信号線７に出力する。上記受光部１の一端をグランドに接続し、受光部１の他端を転送トランジスタ２の一端に接続している。上記転送トランジスタ２の他端を信号電荷蓄積部３に接続し、転送トランジスタ２のゲートに転送制御信号線２３を接続している。上記信号電荷蓄積部３にリセットトランジスタ４のソースが接続され、リセットトランジスタ４のドレインをリセットドレイン信号線２１に接続している。上記リセットトランジスタ４のゲートにリセット信号線２２を接続している。また、上記信号電荷蓄積部３に増幅トランジスタ５のゲートを接続し、増幅トランジスタ５のソースを読み出し信号線７に接続している。また、増幅トランジスタ５のドレインにドレイン電圧Ｖｄを印加している。上記受光部１と転送トランジスタ２で光電変換転送部を構成している。
【００４８】
上記読み出し信号線７の一端とグランドとの間に定電流負荷１１を接続している。この定電流負荷１１は、ベースにバイアス電圧Ｖｃが印加されたエンハンスメント型のＭＯＳトランジスタである。
【００４９】
上記リセットトランジスタ４は、デプレッション型のＭＯＳトランジスタであり、転送トランジスタ２と増幅トランジスタ５は、エンハンスメント型のＭＯＳトランジスタである。また、上記信号電荷蓄積部３は、半導体基板(図示せず)上に形成された浮遊拡散領域である。
【００５０】
また、上記走査回路２０は、リセットドレイン信号ＲＤ,リセット信号ＲＳＴおよび転送制御信号ＴＸを出力する。上記リセットトランジスタ４のドレインにリセットドレイン信号線２１を介してリセットドレイン信号ＲＤを入力する。また、上記リセットトランジスタ４のゲートにリセット信号線２２を介してリセット信号ＲＳＴを入力する。また、上記転送トランジスタ２のゲートに転送制御信号線２３を介して転送制御信号ＴＸを入力する。
【００５１】
ここで画素部１０は、図１４に示した従来の構成に比べ、信号電荷蓄積部３と読み出し信号線７との間にキャパシタ８(容量Ｃｐ)を付加したこと、およびリセットトランジスタ４をデプレッション型にしたことが異なっている。
【００５２】
図２は図１に示した各信号のタイミングを示す。図２において、信号電荷蓄積部３の電位を読み出す「読み出し期間」の後側でリセットドレイン信号ＲＤ(i)を第１所定期間ローレベルＶLとし、その第１所定期間以外はリセットドレイン信号ＲＤ(i)をハイレベルＶHとしている。
まず、第１オン期間としての第１期間ｔ１において、ｉ行目のリセットドレイン信号ＲＤ(i)とリセット信号ＲＳＴ(i)を同時にハイレベルとし、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)をハイレベルにリセットする。これにより、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤは、直前の低レベルψLからまずψH1に上昇する。このとき、増幅トランジスタ５の出力となる読み出し信号線７の電位Ｖoutは、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)のψLからψH1への電位上昇に伴い、直前の低レベルφLからφHに電位上昇する。
【００５３】
このリセットトランジスタ４は、ゲートがハイレベルのとき、チャネルポテンシャルがドレイン電圧より低くなるように形成される。このため、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)はハイインピーダンス状態となり、読み出し信号線７の電位Ｖoutの上昇は、キャパシタ８を介して信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをψH1からさらにψH2に上昇させる。
【００５４】
次に、リセット信号ＲＳＴ(i)をローレベルとし、そのときの信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)をリセットレベルＶrstとして読み出す。その後、第３期間ｔ３において、転送制御信号ＴＸ(i)をハイレベルとし、受光部１からの信号電荷を信号電荷蓄積部３に転送する。電荷転送後の信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)を信号レベルＶsigとして読み出す。
【００５５】
最後に、リセットドレイン信号ＲＤ(i)がローレベルＶLである第１所定期間内で、かつ第２オン期間としての第２期間ｔ２において、再度リセット信号ＲＳＴ(i)をハイレベルとし、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをローレベルにリセットする。すなわち、読み出し動作が終了した画素部１０の信号電荷蓄積部３の電位ＦＤはローレベルに保持される。
【００５６】
非読み出し期間では、リセットドレイン信号ＲＤ(≠i)はハイレベルに保持され、リセット信号ＲＳＴ(≠i)はローレベルに保持される。上記リセットトランジスタ４はデプレッション型であるため、リセットトランジスタ４のゲートがローレベルであってもソースとなる信号電荷蓄積部３の電位ＦＤはオフリーク電流により一定量の正電位(ψL)が保持される。
【００５７】
図３は、リセットトランジスタ４のゲート電圧とチャネルポテンシャルとの関係を示したものである。リセットトランジスタ４はゲートがハイレベルのとき、チャネルポテンシャルがドレイン電圧より低いため、ゲート電圧がハイレベルＶｄのとき、チャネルポテンシャルはＶｄより昇圧マージンだけ低い値(ψH1)である。従って、読み出し時、リセットドレイン信号ＲＤをハイレベルＶｄとすると、リセットトランジスタ４のゲートがハイレベルにおいて、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤはハイインピーダンス状態となる。このため、読み出し信号線７の電位Ｖoutの上昇により、キャパシタ８を介して信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをψH1からさらにψH2に上昇させることが可能となる。すなわち、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤのリセットレベルを高められる。なお、リセットトランジスタ４をデプレッション型とすることにより、昇圧前の電位(ψH1)自体をエンハンスメント型の場合(ψH(E))より高めることができる。
【００５８】
以上の動作により、非選択画素では信号電荷蓄積部３の電位ＦＤがローレベル(ψL)となり、読み出し画素の信号電荷蓄積部３の電位ＦＤであるリセットレベル(ψH2)およびそこから信号分電位低下した値(ψH2−Ｖsig)と、検出マージン(Δψ)以上の電位差があれば、選択トランジスタなしであっても、読み出し信号線７には、読み出し画素信号のみが読み出される。
【００５９】
なお、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤと読み出し信号線７との間にキャパシタ８(容量Ｃｐ)を付加したことにより、信号電荷蓄積部３の電荷電圧変換ゲインの低下が懸念されるが、次のような理由により、実際上問題ないことが判る。
【００６０】
上記信号電荷蓄積部３の電荷電圧変換ゲインは、ｑ／Ｃtotalで表される。ここで、Ｃtotalは信号電荷蓄積部３の全ての容量であり、ｑは電子電荷量である。そして、キャパシタ８以外の容量はＣoとすると共に、キャパシタ８の入力側電位変化をＶsiとし、キャパシタ８の出力側電位変化をＶsoとすると、電荷電圧変換ゲインＧ＝Ｖso／Ｖsiは、通常0.8〜0.9程度となる。これより、キャパシタ８の両端に印加される電位は(１−Ｇ)Ｖsiとなる。従って、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤから見た実効的なキャパシタ８の容量は、
(１−Ｇ)Ｃp  ＝  (0.1〜0.2)Ｃp
の条件を満足し、
Ｃtotal  ＝  Ｃo＋(１−Ｇ)Ｃp  ＝  Ｃo＋(0.1〜0.2)Ｃp
となって、信号電荷蓄積部３の電荷電圧変換ゲインに与える影響は軽微なものとなる。
【００６１】
図４Ａは、リセット動作時の各部分のポテンシャル分布で示した図である。これより、リセットレベルが深くなることにより、受光部１からの信号電荷転送が容易となることが明らかである。ここで、ＳＦは増幅トランジスタ５に対応している。
【００６２】
また、図４Ｂは、蓄積時(非読み出し期間)における過大光入射時の各部分のポテンシャル分布を示す。リセットトランジスタ４をデプレッション型とすることにより、ゲートがローレベルのときのリセットトランジスタ４のチャネルポテンシャルが接地電圧より高い値(ψL)になる。このため、図４Ｂより明らかなように、強い入射光などにより過剰な電荷が信号電荷蓄積部３に流入しても、オフリーク電流(＝オーバーフロー電流)によりリセットトランジスタ４のドレインに排出され、ブルーミングが抑圧される。
【００６３】
図４Ｃは、蓄積時(非読み出し期間)における暗時または低入射光時の各部分のポテンシャル分布を示す。図４Ｃより明らかなように、信号電荷蓄積部３はフローティング状態で、低いＤＣ電位に固定されてはいないから、電流源となることが無く、信号電荷蓄積部３から受光部１に電荷が注入される可能性もない。すなわち、このような信号電荷蓄積部３から受光部１に電荷が注入されることによる白傷発生も抑圧される。
【００６４】
上記構成の増幅型固体撮像装置によれば、リセットトランジスタ４の動作時、まず信号電荷蓄積部３の電位ＦＤが上昇し、それを増幅トランジスタ５により増幅して出力側に接続された読み出し信号線７の電位が上昇して、その電位上昇がキャパシタ８により信号電荷蓄積部３側にフィードバックされ、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをさらに上昇させる。これによって、信号電荷蓄積部３のリセットレベルをより高い電位ψH2まで高めることができ、信号電荷蓄積部３における信号マージンを拡大することが可能となる。したがって、画素内のトランジスタ数を削減しても、動作マージンを確保することができる。
【００６５】
また、上記走査回路２０から出力されるリセットドレイン信号ＲＤによりリセットトランジスタ４のドレインの電位を制御して、リセットトランジスタ４のドレインを信号電荷蓄積部３の電位ＦＤを読み出す期間の最後のみローレベルとしたときにリセットトランジスタ４をオンすることによって、読み出し動作が終了した画素の信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをローレベルに保持することができる。また、それ以外の期間はリセットトランジスタ４のドレインをハイレベルに保持し、リセットトランジスタ４をデプレッション型とすることによって、リセットトランジスタ４のゲートがローレベルであってもソースとなる信号電荷蓄積部の電位ＦＤをオフリーク電流により一定量の正電位に保持することができる。
【００６６】
また、上記信号電荷蓄積部３の電位ＦＤを読み出す期間のリセットトランジスタ４の２回目の第１オン期間(ｔ１)のリセットトランジスタ４のドレインをハイレベルとしてリセットトランジスタ４をオンすることによって、信号電荷蓄積部３をリセットレベルにした後、第１オン期間(ｔ１)と第２オン期間(ｔ２)との間の第３期間ｔ３に転送トランジスタ２をオンして、受光部１から転送トランジスタ２を介して信号電荷蓄積部３に電荷を転送した後、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤを読み出す期間の２回目の第２オン期間ｔ２にリセットトランジスタ４のドレインをローレベルとしてリセットトランジスタ４をオンすることによって、読み出し動作が終了した画素の信号電荷蓄積部３の電位をローレベルに保持することができる。
【００６７】
また、リセットトランジスタ４にデプレッション型のＭＯＳ型トランジスタを用いることによって、蓄積時(非読み出し期間)に強い入射光などにより過剰な電荷が信号電荷蓄積部３に流入しても、オフリーク電流によりリセットトランジスタ４のドレインに排出され、ブルーミングを抑圧することができると共に、蓄積時(非読み出し期間)に信号電荷蓄積部３がフローティング状態となって低いＤＣ電位に固定されないから、信号電荷蓄積部３から受光部１に電荷が注入される可能性がないので、白傷発生も抑圧される。
【００６８】
また、上記受光部１が埋め込み型のフォトダイオードであるので、受光部１から信号電荷蓄積部３への電荷転送を完全化することが容易となり、さらに受光部１で発生する暗電流を低減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る。
【００６９】
(第２実施形態)
図５は、この発明の第２実施形態の増幅型固体撮像装置の画素ブロックを示す回路図である。この第２実施形態の増幅型固体撮像装置は、第１実施形態の増幅型固体撮像装置と同一の構成部は、同一の参照番号を付している。
【００７０】
この増幅型固体撮像装置は、図５に示すように、複数の画素ブロック３０と、上記画素ブロック３０を制御する制御部の一例としての走査回路４０とを備えている。図１では、画素ブロック３０は１つのみを示す。上記画素ブロック３０および走査回路４０を半導体基板(図示せず)上に形成している。
【００７１】
上記画素ブロック３０は、光電変換素子の一例として埋め込み型フォトダイオードを用いた複数の受光部１-1,１-2,…と、上記受光部１-1,１-2,…からの信号電荷を夫々転送する転送トランジスタ２-1,２-2,…と、上記転送トランジスタ２-1,２-2,…から転送された受光部１-1,１-2,…の信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３と、上記信号電荷蓄積部３の電位をリセットするリセットトランジスタ４と、上記信号電荷蓄積部３の電位を増幅して読み出す増幅トランジスタ５とを有している。上記増幅トランジスタ５により増幅された信号電荷蓄積部３の電位を、増幅トランジスタ５の出力側に直接接続された読み出し信号線７に出力する。上記受光部１-1,１-2,…の一端をグランドに接続し、受光部１-1,１-2,…の他端を転送トランジスタ２-1,２-2,…の一端に夫々接続している。上記転送トランジスタ２-1,２-2,…の他端を信号電荷蓄積部３に接続し、転送トランジスタ２-1,２-2,…のゲートに転送制御信号線２３-1,２３-2,…を夫々接続している。上記信号電荷蓄積部３にリセットトランジスタ４のソースが接続され、リセットトランジスタ４のドレインをリセットドレイン信号線２１に接続している。上記リセットトランジスタ４のゲートにリセット信号線２２を接続している。また、上記信号電荷蓄積部３に増幅トランジスタ５のゲートを接続し、増幅トランジスタ５のソースを読み出し信号線７に接続している。また、増幅トランジスタ５のドレインにドレイン電圧Ｖｄを印加している。上記受光部１-1と転送トランジスタ２-1および受光部１-2と転送トランジスタ２-2で光電変換転送部を夫々構成している。
【００７２】
上記読み出し信号線７の一端とグランドとの間に定電流負荷１１を接続している。この定電流負荷１１は、ベースにバイアス電圧Ｖｃが印加されたエンハンスメント型のＭＯＳトランジスタである。
【００７３】
上記リセットトランジスタ４は、デプレッション型のＭＯＳトランジスタであり、転送トランジスタ２-1,２-2,…と増幅トランジスタ５は、エンハンスメント型のＭＯＳトランジスタである。また、上記信号電荷蓄積部３は、半導体基板(図示せず)上に形成された浮遊拡散領域である。
【００７４】
また、上記走査回路４０は、リセットドレイン信号ＲＤ(i),リセット信号ＲＳＴ(i)および転送制御信号ＴＸ１(i),ＴＸ２(i),…を出力する。上記リセットトランジスタ４のドレインにリセットドレイン信号線２１を介してリセットドレイン信号ＲＤ(i)を入力する。また、上記リセットトランジスタ４のゲートにリセット信号線２２を介してリセット信号ＲＳＴ(i)を入力する。また、上記転送トランジスタ２-1,２-2,…のゲートに転送制御信号線２３-1,２３-2,…を介して転送制御信号ＴＸ１(i),ＴＸ２(i),…を夫々入力する。
【００７５】
この第２実施形態の増幅型固体撮像装置の画素ブロック３０は、図１に示した第１実施形態の増幅型固体撮像装置の構成に比べ、図５では複数の受光部１-1,１-2,…の信号電荷を夫々転送する複数の転送トランジスタ２-1,２-2,…を共通の信号電荷蓄積部３に接続したことが特徴である。
【００７６】
図６は図５に示した各信号のタイミングを示しており、転送制御信号をｉ組中k(i)行目のＴＸk(i),ｉ組中k(i)行目以外のＴＸ≠k(i)に分けている点を除いて図２のタイミング図と同じである。すなわち、ある読み出し期間では、ｉ組中の各転送トランジスタ２-1,２-2,…中の１行をオンし、それをｉ組中で順次オンする。次いでｉ＋１組に移り同様の動作を行う。
【００７７】
このように、信号電荷蓄積部３とリセットトランジスタ４および増幅トランジスタ２を複数の光電変換転送部で共有することによって、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って、画素の小型化に有利となる。
【００７８】
(第３実施形態)
図８は、この発明の第３実施形態の増幅型固体撮像装置のシャッタ動作時の各信号のタイミングを示す。ここで、適用される画素部としては、図１に示す第１実施形態の増幅型固体撮像装置について説明するが、これに限定されるものではない。
【００７９】
図８の動作説明の前に、まず増幅型固体撮像装置におけるシャッタ動作を図７に示す。ここで、横軸は時間、縦軸は垂直走査方向を示す。増幅型固体撮像装置では一般に、行単位で順次垂直方向に読出し動作が行われるから、時間の経過と共に読み出される行番号が順次増大する。通常の蓄積動作では、前のフレームの読出しが終わってから次のフレームの読出しが行われるまでの１フレーム期間が蓄積時間となる。シャッタ読み出し時には、１フレーム期間の途中で、破線で示すシャッタ排出動作が行われる。今、時刻ｔkでの読み出しを見ると、ｋ番目の行の読み出し動作と、ｊ番目の行のシャッタ動作がほぼ同時に行われる。
【００８０】
以上の理由から、図８に示すように、水平ブランキング期間の前半でｊ番目の行のシャッタ動作を行い、水平ブランキング期間の後半でｋ番目の行の読み出し動作を行うようにしている。
【００８１】
図８において、読み出し期間の動作は図２のタイミング図と同じであり、シャッタ期間の部分がこの第３実施形態の特徴である。
【００８２】
図８に示すように、シャッタ動作時には、まず第４オン期間としての第４期間ｔ４において、リセットドレイン信号ＲＤ(j)をハイレベルＶHに保持した状態で、ｊ行目の転送制御信号ＴＸ(j)とリセット信号ＲＳＴ(j)を同時にハイレベルして、転送トランジスタ２とリセットトランジスタ４をオンする。これに伴い、読み出し信号線７の電位Ｖoutは上昇する。このとき、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(j)はハイインピーダンス状態のため、読み出し信号線７の電位Ｖoutの上昇によって、キャパシタ８を介して信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをψH1からさらにψH2に上昇させる。これにより、ｊ行目の受光部１からの電荷を転送トランジスタ２とリセットトランジスタ４を介してリセットトランジスタ４のドレイン側に排出する。
【００８３】
次いで第５オン期間としての第５期間ｔ５において、リセット信号ＲＳＴ(j)をハイレベルとすると共にリセットドレイン信号ＲＤ(j)をローレベルＶLとし、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをローレベルにリセットする。すなわち、シャッタ動作が終了した画素の信号電荷蓄積部３の電位ＦＤはローレベルに保持される。
【００８４】
シャッタ動作期間の間、非読み出し画素ながら、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤがハイレベルψH2まで上昇する。このため、シャッタ動作期間と読み出し動作期間の位相をずらすことにより、読み出し画素との干渉を防いでいる。
【００８５】
このように、シャッタ動作の１回目の第４オン期間(ｔ４)に、受光部１からの電荷をリセットトランジスタ４のドレイン側に排出し、２回目の第５オン期間(ｔ５)に、シャッタ動作が終了した画素の信号電荷蓄積部の電位をローレベルに保持することによって、シャッタ動作時においても、選択トランジスタ無しで、読み出し画素の信号をシャッタ動作に影響されず正しく読み出すことができる。
【００８６】
(第４実施形態)
【００８７】
以上の実施形態は、図２に示したタイミングをベースとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明の他の第４実施形態の増幅型固体撮像装置のタイミングを図９に示す。この第４実施形態の増幅型固体撮像装置は、第１実施形態の図１に示す増幅型固体撮像装置と同一の構成をしており、図１を援用する。また、この第４実施形態の増幅型固体撮像装置は、第１実施形態と動作タイミングが異なる。
まず、読み出し動作前の期間ｔ０では、ｉ行目のリセットドレイン信号ＲＤ(i)はローレベルＶL(＞ＧＮＤ)に保持され、リセット信号ＲＳＴ(i)はハイレベルに保持されている。次に、第１期間ｔ１において、ｉ行目のリセットドレイン信号ＲＤ(i)がハイレベルＶHとなり、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)はハイレベルにリセットされる。これにより、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤは、直前の低レベルＶLからまずψH1に上昇する。このとき、増幅トランジスタ５の出力となる読み出し信号線７の電位Ｖoutは、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)のＶLからψH1への電位上昇に伴い、直前の低レベルφMからφHに電位上昇する。
【００８８】
このリセットトランジスタ４は、ゲートがハイレベルのとき、チャネルポテンシャルがドレイン電圧より低くなるように形成される。このため、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)はハイインピーダンス状態となり、読み出し信号線７の電位Ｖoutの上昇は、キャパシタ８を介して信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをψH1からさらにψH2に上昇させる。このことを、ポテンシャル分布図により図１０Ａに示す。
【００８９】
次に、第６期間ｔ６において、リセット信号ＲＳＴ(i)をローレベルとし、そのときの信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)をリセットレベルＶrstとして読み出す。その後、第３期間ｔ３において、転送制御信号ＴＸ(i)をハイレベルとし、受光部１からの信号電荷を信号電荷蓄積部３に転送する。第７期間ｔ７において、電荷転送後の信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(i)を信号レベルＶsigとして読み出す。上記リセットトランジスタ４がオフとなる第６期間ｔ６と第３期間ｔ３および第７期間ｔ７が第２所定期間である。
【００９０】
最後に、第８期間ｔ８において、再度リセット信号ＲＳＴ(i)をハイレベルとすると共にリセットドレイン信号ＲＤ(i)をローレベルＶLとし、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをローレベルにリセットする。すなわち、読み出し動作が終了した画素部１０(図１に示す)の信号電荷蓄積部３の電位ＦＤはローレベルに保持される。
【００９１】
非読み出し期間では、リセットドレイン信号ＲＤ(≠i)はローレベルＶLに保持され、リセット信号ＲＳＴ(≠i)はハイレベルに保持されて、リセットトランジスタ４がオン状態に保持される。従って、上記リセットトランジスタ４がエンハンスメント型、デプレッション型のどちらであっても、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤはローレベルＶLに固定される。ここで、ＶＬの値はＧＮＤレベルより高い値、より具体的には転送トランジスタのオフ時チャネルポテンシャルより高い値とすることにより、信号電荷蓄積部３からオフ状態の転送トランジスタ２を越えて受光部１へ電荷注入して白傷が発生することを、防ぐことができる。また、過大光が入射し、受光部１から転送トランジスタ２を越えて信号電荷蓄積部３へ溢れた電荷を、排除することができる。このことを、ポテンシャル分布図により図１０Ｂ,図１０Ｃに示す。ここで、図１０Ｂは受光部１に電荷が溢れた状態を表し、図１０Ｃは受光部１に電荷が無い場合を表す。以上の動作により、信号電荷蓄積部３で発生ないし流入する不要電荷を排出することが可能となり、ブルーミングや白傷発生を防止することができる。
【００９２】
(第５実施形態)
図１１はこの発明の第５実施形態の増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示し、図９に対応したシャッタ動作の場合を示す。この第５実施形態の増幅型固体撮像装置は、第１実施形態の図１に示す増幅型固体撮像装置と同一の構成をしており、図１を援用する。
シャッタ動作時には、まず第４期間ｔ４において、リセット信号ＲＳＴ(ｊ)をハイレベルに保持した状態で、ｊ行目の転送制御信号ＴＸ(ｊ)とリセットドレイン信号ＲＤ(ｊ)を同時にハイレベルして、信号電荷蓄積部３の電位を高くする。これに伴い、読み出し信号線７の電位Ｖoutは上昇する。このとき、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤ(ｊ)はハイインピーダンス状態のため、読み出し信号線７の電位Ｖoutの上昇によって、キャパシタ８を介して信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをψH1からさらにψH2に上昇させる。これにより、ｊ行目の受光部１からの電荷を転送トランジスタ２とリセットトランジスタ４を介してリセットトランジスタ４のドレイン側に排出する。このリセットドレイン信号ＲＤ(ｊ)をハイレベルＶHにする期間が第３所定期間である。
【００９３】
次いで第５期間ｔ５において、リセット信号ＲＳＴ(ｊ)をハイレベルに維持したまま、リセットドレイン信号ＲＤ(ｊ)をローレベルＶL(＞ＧＮＤ)とし、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをローレベルにリセットする。すなわち、シャッタ動作が終了した画素の信号電荷蓄積部３の電位ＦＤはローレベルに保持される。
【００９４】
シャッタ動作期間の間、非読み出し画素ながら、信号電荷蓄積部３の電位ＦＤがハイレベルψH2まで上昇する。このため、シャッタ動作期間と読み出し動作期間の位相をずらすことにより、読み出し画素との干渉を防いでいる。
【００９５】
このように、シャッタ動作の１回目の第４期間ｔ４に、受光部１からの電荷をリセットトランジスタ４のドレイン側に排出し、２回目の第５期間ｔ５に、シャッタ動作が終了した画素の信号電荷蓄積部３の電位ＦＤをローレベルに保持することによって、シャッタ動作時においても、選択トランジスタ無しで、読み出し画素の信号をシャッタ動作に影響されず正しく読み出すことができる。
【００９６】
(第６実施形態)
図１２は、この発明の第６実施形態の増幅型固体撮像装置の画素ブロックのレイアウトを示す図である。図１２において、ハッチング部は、受光部およびトランジスタ部の活性領域を表し、実線で囲まれた領域はゲート領域、太線は配線を模式的に表す。
【００９７】
図１２では、上下４個の受光部１が１つの信号電荷蓄積部３を共有している。このため、信号電荷蓄積部３である複数の浮遊拡散領域を結ぶ配線を図１２の上下方向に長く配置することにより、複数の浮遊拡散領域とそれを結ぶ配線を、読み出し信号線７と隣接して平行にすることが可能となる。これにより、特別のキャパシタンス素子を設けなくても、すなわち画素面積を増大させることなく、この発明の特徴である信号電荷蓄積部３と読み出し信号線７との間にキャパシタ８(容量Ｃｐ)を設けることが可能となる。例えば、０.５μｍ以下の間隔で数画素分を平行に配線すれば、その間に１fＦ(１×１０-15Ｆ)以上のキャパシタを形成することが可能である。
【００９８】
このように、特別にキャパシタンス素子を設けずとも、画素レイアウトの工夫により配線間容量でキャパシタンス成分を付加でき、画素面積の縮小に有利となる。
【００９９】
また、上記第１〜第６実施形態では、マトリックス状に複数の画素部が配列された増幅型固体撮像装置について説明したが、行方向または列方向に１列に配列された増幅型固体撮像装置にこの発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。
【図２】図２は上記増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示す図である。
【図３】図３は上記増幅型固体撮像装置のリセットトランジスタのゲート電圧とチャネルポテンシャルとの関係を説明する図である。
【図４Ａ】図４Ａは上記増幅型固体撮像装置のリセット動作時の各部分のポテンシャル分布で説明する図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは上記増幅型固体撮像装置の蓄積時の各部分のポテンシャル分布で説明する図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは上記増幅型固体撮像装置の蓄積時における暗時または低入射光時の各部分のポテンシャル分布で説明する図である。
【図５】図５はこの発明の第２実施形態の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。
【図６】図６は上記増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示す図である。
【図７】図７は上記増幅型固体撮像装置のシャッタ動作を説明する図である。
【図８】図８はこの発明の第３実施形態の増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示す図である。
【図９】図９はこの発明の第４実施形態の増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは上記増幅型固体撮像装置のタイミングに対応したリセット動作時の各部分のポテンシャル分布で説明する図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは上記増幅型固体撮像装置のタイミングに対応した蓄積時の各部分のポテンシャル分布で説明する図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは上記増幅型固体撮像装置のタイミングに対応した蓄積時における暗時または低入射光時の各部分のポテンシャル分布で説明する図である。
【図１１】図１１はこの発明の第５実施形態の増幅型固体撮像装置の動作タイミングを示す図である。
【図１２】図１２はこの発明の第６実施形態の増幅型固体撮像装置の画素のレイアウトで示す図である。
【図１３】図１３は従来の増幅型固体撮像装置の要部を示す回路図である。
【図１４】図１４は従来の別の増幅型固体撮像装置の要部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動作タイミングを示す図である。
【図１６】図１６は上記増幅型固体撮像装置の動作を部分のポテンシャル応答で説明する図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは上記増幅型固体撮像装置のリセット動作の各部分のポテンシャル分布で説明する図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは上記増幅型固体撮像装置の図１５(a)のタイミングでの蓄積動作の各部分のポテンシャル分布で説明する図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは上記増幅型固体撮像装置の図１５(b)のタイミングでの蓄積動作の各部分のポテンシャル分布で説明する図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１…受光部
２,２-1,２-2…転送トランジスタ
３…信号電荷蓄積部
４…リセットトランジスタ
５…増幅トランジスタ
６…選択トランジスタ
７…読み出し信号線
１０…画素部
２０,４０…走査回路
２１…リセットドレイン信号線
２２…リセット信号線
２３,２３-1,２３-2…転送制御信号線
３０…画素ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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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１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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