(57)【要約】ＣＭＯＳアクティブピクセルおよびその駆動方法を開示する。読出し区間で発生する伝送制御信号とリセット制御信号のタイミングをリセット区間で予め行う。したがって、読出し区間で発生する大きさのフォトダイオード領域と伝送トランジスタ間の電位障壁がリセット区間で予め形成され、フォトダイオード領域に電荷が満たされる。よって、読出し区間では無反応領域が減少し、イメージセンサの最小光量特性が向上する。また、予備区間でフォトダイオードで発生する信号電荷を蓄積する集合ノードと浮遊拡散ノードを連結する伝送トランジスタを１回または２回以上ターンオンさせる。したがって、集合ノードの初期電圧と浮遊拡散ノードのリセットレベル間の電圧差が最小化される。したがって、本発明のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法により、イメージセンサの低照度特性が著しく改善される。
2006517360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光した光子によって信号電荷を生成するフォトダイオードと、
イメージセンサの読出し区間の間に活性化される伝送制御信号に応答して、前記信号電荷を所定の浮遊拡散ノードに提供する伝送トランジスタと、
前記伝送トランジスタによって伝送される前記信号電荷を受信する前記浮遊拡散ノードと、
前記読出し区間と重畳しない所定のリセット区間で活性化されるリセット制御信号に応答して、前記浮遊拡散ノードをリセットさせるリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される駆動トランジスタと、
所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、を含むＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法において、
（ａ）前記リセットトランジスタと前記伝送トランジスタを同時にターンオンさせて前記フォトダイオードを初期化するＡ区間を行う段階と、
（ｂ）前記フォトダイオードで発生した電子を感知するＣ区間に入る直前に、前記リセット制御信号と前記伝送制御信号のタイミングを生成するＢ区間を行う段階と、
（ｃ）前記Ｃ区間の感知動作を行い、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出すためにＤ区間（読出し区間）を行う段階と、を含むことを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項２】
前記（ｂ）段階において、前記Ｂ区間には、前記感知された光電子によるデータを読み出すＤ区間のタイミングを考慮して、前記Ｂ区間と同じ大きさの前記フォトダイオードと前記伝送トランジスタ間の電位障壁が形成されることを特徴とする、請求項１に記載のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項３】
前記Ｂ区間で、データを読み出す時の前記Ｄ区間と同じ環境下でタイミングが形成されることを特徴とする、請求項２に記載のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項４】
前記Ｂ区間は、前記リセットトランジスタがターンオフになった状態で、前記伝送トランジスタをターンオンさせてからターンオフさせるタイミングを含むことを特徴とする、請求項２に記載のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項５】
前記リセット区間は、前記Ｄ区間（読出し区間）で発生する前記リセット制御信号および前記伝送制御信号のタイミング区間であり、前記フォトダイオードと前記伝送トランジスタの間に形成される電位障壁の大きさに対応する電位障壁を形成させるために、前記リセット制御信号と前記伝送制御信号の前記タイミング区間を含むことを特徴とする、請求項１に記載のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項６】
前記リセット制御信号が非活性化状態を維持し、前記伝送制御信号が活性化されてから非活性化される区間をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項７】
前記リセット制御信号は、前記伝送制御信号が非活性化された後にも、前記読出し区間が終了するまで続いて非活性化状態を維持することを特徴とする、請求項１または６に記載のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項８】
イメージセンサに含まれるＣＭＯＳアクティブピクセルにおいて、
受光した光子によって信号電荷を生成するフォトダイオードと、
イメージセンサの読出し区間の間に活性化される伝送制御信号に応答して、前記信号電荷を所定の浮遊拡散ノードに提供する伝送トランジスタと、
前記伝送トランジスタによって伝送される前記信号電荷を受信する前記浮遊拡散ノードと、
前記読出し区間と重畳しない所定のリセット区間で活性化されるリセット制御信号に応答して、前記浮遊拡散ノードをリセットするリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される駆動トランジスタと、
所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、
前記リセット制御信号と前記伝送制御信号を発生する制御信号生成器と、を含み、
前記リセット区間は、前記読出し区間に発生する前記リセット制御信号と前記伝送制御信号のタイミング区間であり、前記フォトダイオードと前記伝送トランジスタの間に形成される電位障壁の大きさに対応する電位障壁を形成させるために、前記リセット制御信号と前記伝送制御信号の前記タイミング区間を含むことを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセル。
【請求項９】
前記読出し区間と前記リセット区間のそれぞれは、前記リセット制御信号が非活性化状態を維持し、前記伝送制御信号が活性化されてから非活性化される区間をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載のＣＭＯＳアクティブピクセル。
【請求項１０】
前記制御信号生成器は、所定の集積リセット信号と所定の集積伝送信号に応答し、前記集積リセット信号は、前記リセット区間での前記リセット制御信号の発生を制御し、前記集積伝送信号は、前記リセット区間での前記伝送制御信号の発生を制御することを特徴とする、請求項８に記載のＣＭＯＳアクティブピクセル。
【請求項１１】
受光した光子によって信号電荷を所定の集合ノードで生成するフォトダイオード、所定の伝送制御信号に応答して前記信号電荷を所定の浮遊拡散ノードに提供する伝送トランジスタと、
前記伝送トランジスタによって伝送される前記信号電荷を受信する前記浮遊拡散ノードと、
所定のリセット制御信号に応答して、前記浮遊拡散ノードをリセットするリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される駆動トランジスタと、
所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、を含むＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法において、
（ａ）前記リセットされる浮遊拡散ノードの電圧によって前記データ線のリセットレベルをサンプリングするために、リセットサンプリング区間を行う段階と、
（ｂ）前記フォトダイオードで発生する前記信号電荷を前記浮遊拡散ノードに伝送し、前記信号電荷によって決定される前記浮遊拡散ノードの電圧によって前記データ線のデータレベルをサンプリングするために、データサンプリング区間を行う段階と、
（ｃ）前記（ｂ）段階前の前記集合ノードの電圧を、前記（ｂ）段階後の前記浮遊拡散ノードの電圧と一致させるために、予備区間を行う段階と、を含み、
前記予備区間は、前記リセット制御信号が非活性化され、前記伝送制御信号が活性化される第１同等化領域を含むことを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項１２】
前記予備区間は、前記第１同等化領域の実行後、前記伝送制御信号が非活性化され、前記リセット制御信号が活性化される分離領域と、
前記分離領域の実行後、前記リセット制御信号が非活性化され、前記伝送制御信号は活性化される第２同等化領域と、をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項１３】
受光した光子によって信号電荷を所定の集合ノードで生成するフォトダイオードと、
所定の伝送制御信号に応答して前記信号電荷を所定の浮遊拡散ノードに提供する伝送トランジスタと、
前記伝送トランジスタによって伝送される前記信号電荷を受信する前記浮遊拡散ノードと、
所定のリセット制御信号に応答して、前記浮遊拡散ノードをリセットするリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される駆動トランジスタと、
所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、を含むＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法において、
（ａ）前記リセットされる浮遊拡散ノードの電圧によって前記データ線のリセットレベルをサンプリングするために、リセットサンプリング区間を行う段階と、
（ｂ）前記（ａ）段階後、前記フォトダイオードで発生する前記信号電荷を前記浮遊拡散ノードに伝送し、前記信号電荷によって決定される前記浮遊拡散ノードの電圧によって前記データ線のデータレベルをサンプリングするために、データサンプリング区間を行う段階と、
（ｃ）前記（ｂ）段階前の前記集合ノードの電圧を、前記（ｂ）段階後の前記浮遊拡散ノードの電圧と一致させるために、予備区間を行う段階と、を含み、
前記予備区間は、前記伝送制御信号が非活性化された状態で、前記リセット制御信号が非活性化される準備領域を含むことを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【請求項１４】
前記予備区間は、前記準備領域の実行後、前記リセット制御信号が非活性化され、前記伝送制御信号が活性化される第１同等化領域と、
前記第１同等化領域の実行後、前記伝送制御信号が非活性化され、前記リセット制御信号が活性化される分離領域と、
前記分離領域の実行後、前記リセット制御信号が非活性化され、前記伝送制御信号が活性化される第２同等化領域と、をさらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイメージセンサに関し、より詳しくは、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサのピクセルおよびその駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサは、外部のエネルギー、例えば光子と反応する半導体装置の性質を用いて、イメージを捕獲する装置である。自然界に存在する各被写体から発生する光は、波長などにおいて固有のエネルギー値を有する。イメージセンサのピクセルは各被写体から発生する光を感知して電気的な値に変換する。
【０００３】
図１は、４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを駆動するタイミング図であって、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）技法を用いてデータを読み出している。図２は、従来の４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを示す図であり、フォトダイオードの断面および、図１のタイミング図に基づいた各領域別電子ポテンシャルを説明している。
【０００４】
図２を参照して、４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルは、フォトダイオード領域Ａ１と浮遊拡散ノード領域Ａ３を連結する伝送トランジスタ１１、およびフォトダイオード領域Ａ１を初期化するためのリセットトランジスタ１３を含んでいる。フォトダイオードＰＨは、暗電流を減らすために、暗電流源である半導体表面から一定距離だけ離れた深さに形成されている。したがって、伝送トランジスタ１１とフォトダイオードＰＨを連結する部分Ｋの半導体不純物注入の状態による電位障壁（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｗａｌｌ）または電位井戸（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｗｅｌｌ）が形成される。
【０００５】
一方、電位井戸は、発生した電荷をそのまま蓄積する性質があるので、大部分の半導体製造会社は電位井戸の形態を排除し、電位障壁形態にピクセルを製作する。また、半導体製造会社は、電位障壁を最小化するためにプロセスを改善する努力を行っている。しかし、電位障壁の大きさは、プロセス条件の相違によって変動するので、プロセス技術を用いて電位障壁を除去することは極めて困難である。
【０００６】
このような電位障壁は大きくなるほど、浮遊拡散ノードＦＤに移動せずに、そのままフォトダイオードＰＨに残留する電荷量が多くなり、これによってイメージセンサの無反応領域（ｄｅａｄ ｒｅｇｉｏｎ）が増大する。このような無反応領域の増大は、図１に示すタイミングの相関二重サンプリング技法を用いてデータを読み出す場合に、より顕著に現れる。図１において、リセットサンプリング信号ＲＨＳは、リセットデータ（すなわち、浮遊拡散ノードＦＤの初期状態の電気ポテンシャル）をサンプリングして記憶するための信号である。信号サンプリング信号ＤＳＨは、信号データ（すなわち、フォトダイオードＰＨから発生する電荷を受信した後の浮遊拡散ノードＦＤの電気ポテンシャル）をサンプリングして記憶するための信号である。
【０００７】
図２の電子ポテンシャルにおいて、実線ｎ１は、伝送トランジスタ１１とリセットトランジスタ１３が共にターンオンになっている状態、すなわち図１のリセット区間での電子ポテンシャルを示す。ところが、図２の実線ｎ１から分かるように、フォトダイオードＰＨと伝送トランジスタ領域Ａ２の境界面Ｋに形成される電位障壁ｗ１により、伝送トランジスタ１１とリセットトランジスタ１３が共にターンオンになっても、一定量の残余電荷がフォトダイオード領域Ａ１に残ることになる。このような状態で、伝送トランジスタ１１がターンオフになって、フォトダイオードＰＨの感知動作が始まる（時点ｔ１）。そして、感知動作が終了し、感知した信号電荷を読み出し始める時、浮遊拡散ノードＦＤを孤立させるために、リセットトランジスタＧＲＸをターンオフさせる（時点ｔ２）。この時、浮遊拡散ノードＦＤの電位が低くなる。このような影響により、伝送トランジスタ１１をターンオンさせた時（時点ｔ３）、フォトダイオードＰＨと伝送トランジスタ１１の境界面Ｋの電位障壁はリセット状態、すなわち実線ｎ１の場合よりもっと高くなってｗ１＋ｗ２になる（このような時点ｔ３での電子ポテンシャルは図２の点線ｎ２で示す）。したがって、信号データを読み出すために伝送トランジスタ１１をターンオンさせた時、初期状態で発生する電荷は、フォトダイオードＰＨの電子ポテンシャルがｗ１＋ｗ２になるまでは、フォトダイオード領域Ａ１に残留することになる。すなわち、ピクセルの無反応領域が持続するという問題点がある。
【０００８】
図３は、４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサの駆動についての他のタイミング図である。図３を参照して、４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサの従来の駆動方法を以下に説明する。まず、Ｔ１１区間での伝送制御信号ＴＸが非活性化されると（ｔ１１）、フォトダイオードのＮ側端子である集合ノードが外部電源電圧から電気的に分離される。Ｔ１２区間では、フォトダイオードは、光などに反応して発生する信号電荷を集合ノードに集める。Ｔ１３区間では、リセット制御信号ＲＸが「ロー」に非活性化され（ｔ１２）、サンプリング信号ＳＨが最初に活性化すると（ＳＨ１）、アクティブピクセルの出力端子であるデータ線の電圧レベルがサンプリングされる。この時、サンプリングされるデータ線の電圧レベルは、リセットレベルｖｒｓｔである浮遊拡散ノードの電圧から所定の降下電圧の分だけ落ちた電圧である。ここで、前記降下電圧は、前記浮遊拡散ノードによってオンオフされる駆動トランジスタのスレショルド電圧を示す。
【０００９】
一方、Ｔ１４区間で、伝送制御信号ＴＸが「パルス」として活性化している間（ｔ１３）、集合ノードの電荷が浮遊拡散ノードに伝送される。したがって、前記浮遊拡散ノードと前記集合ノードの電圧は、電荷共有（ｃｈａｒｇｅ ｓｈａｒｉｎｇ）現象によって発生するデータレベルｖｄａｔになる。その後、サンプリング信号ＳＨの第２の活性化パルスＳＨ２に応答して、データ線の電圧レベルがサンプリングされる。この時、サンプリングされるデータ線の電圧は、リセットレベルの場合と同様に、データレベルｖｄａｔである浮遊拡散ノードの電圧から降下電圧の分だけ低下した電圧になる。
【００１０】
その結果、前記サンプリング信号ＳＨの第１活性化ＳＨ１および第２活性化ＳＨ２によってサンプリングされるデータ線の電圧レベルの差は、前記リセットレベルｖｒｓｔと前記データレベルｖｄａｔの差（ｖｒｓｔ−ｖｄａｔ）と同一になる。
【００１１】
ところが、従来のイメージセンサのアクティブピクセルの駆動方法によれば、前記リセットレベルｖｒｓｔは、外部電源電圧ＶＤＤから第１スレショルド電圧ＶＴ１の分だけ低下した電圧である。ここで、前記第１スレショルド電圧ＶＴ１は、前記リセット制御信号ＲＸによってオンオフされ、浮遊拡散ノードを外部電源電圧端子と電気的に連結するリセットトランジスタのスレショルド電圧である。前記集合ノードの初期電圧は、外部電源電圧ＶＤＤから、第１スレショルド電圧ＶＴ１と第２スレショルド電圧ＶＴ２のなかでより大きいものの分だけ低下した電圧である。ここで、前記第２スレショルド電圧ＶＴ２は、前記伝送制御信号ＴＸによってオンオフされ、前記集合ノードを前記浮遊拡散ノードと連結する伝送トランジスタスレショルド電圧である。
【００１２】
一般のイメージセンサの設計および製造プロセスによれば、前記第２スレショルド電圧ＶＴ２が前記第１スレショルド電圧ＶＴ１より大きくなる場合が生ずる。この場合、前記リセットレベルｖｒｓｔは第１スレショルド電圧ＶＴ１によって決定される一方、前記集合ノードの初期電圧は第２スレショルド電圧ＶＴ２によって決定される。
【００１３】
そして、第１スレショルド電圧ＶＴ１と第２スレショルド電圧ＶＴ２はイメージセンサの製造プロセスによって相当な偏差を発生することがあり、その結果、前記集合ノードの初期電圧と前記リセットレベルｖｒｓｔ間の差が不規則になる。
【００１４】
このような、相関二重サンプリング技法を用いた、従来のイメージセンサのデータ読出し方法においては、前記集合ノードの初期電圧と前記リセットレベルｖｒｓｔ間の差が不規則になり、結局イメージセンサの低照度特性が低下するという問題点が生ずる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前記問題点を解決するために、本発明は、読出し区間で発生し得る伝送制御信号とリセット制御信号のタイミングをリセット区間で予め行うことにより、初期状態のピクセルの無反応領域を低減するＣＭＯＳアクティブピクセルおよびその駆動方法を提供する。
【００１６】
また、本発明は、集合ノードの初期電圧と浮遊拡散ノードのリセットレベルｖｒｓｔ間の差を低減するＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一態様によれば、本発明は、受光した光子によって信号電荷を生成するフォトダイオードと、
イメージセンサの読出し区間の間に活性化される伝送制御信号に応答して、前記信号電荷を所定の浮遊拡散ノードに提供する伝送トランジスタと、
前記伝送トランジスタによって伝送される前記信号電荷を受信する前記浮遊拡散ノードと、
前記読出し区間と重畳しない所定のリセット区間で活性化されるリセット制御信号に応答して、前記浮遊拡散ノードをリセットするリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される駆動トランジスタと、
所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、を含むＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法において、
（ａ）前記リセットトランジスタと前記伝送トランジスタを同時にターンオンさせて前記フォトダイオードを初期化するＡ区間を行う段階と、
（ｂ）前記フォトダイオードで発生した電子を感知するＣ区間に入る直前に、前記リセット制御信号と前記伝送制御信号のタイミングを生成するＢ区間を行う段階と、
（ｃ）前記Ｃ区間の感知動作を行い、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出すためにＤ区間（読出し区間）を行う段階と、を含むことを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法を提供する。
【００１８】
また、本発明の別の態様によれば、本発明は、イメージセンサに含まれるＣＭＯＳアクティブピクセルであって、受光した光子によって信号電荷を生成するフォトダイオードと、
イメージセンサの読出し区間の間に活性化される伝送制御信号に応答して、前記信号電荷を所定の浮遊拡散ノードに提供する伝送トランジスタと、
前記伝送トランジスタによって伝送される前記信号電荷を受信する前記浮遊拡散ノードと、
前記読出し区間と重畳しない所定のリセット区間で活性化されるリセット制御信号に応答して、前記浮遊拡散ノードをリセットするリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される駆動トランジスタと、
所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、
前記リセット制御信号および前記伝送制御信号を発生する制御信号生成器と、を含み、
前記リセット区間は、前記読出し区間に発生する前記リセット制御信号と前記伝送制御信号のタイミング区間であり、前記フォトダイオードと前記伝送トランジスタの間に形成される電位障壁の大きさに対応する電位障壁を形成させるために、前記リセット制御信号と前記伝送制御信号の前記タイミング区間を含むことを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセルを提供する。
【００１９】
また、本発明のさらに別の態様によれば、本発明は、受光した光子によって信号電荷を所定の集合ノードで生成するフォトダイオードと、
所定の伝送制御信号に応答して前記信号電荷を所定の浮遊拡散ノードに提供する伝送トランジスタと、
前記伝送トランジスタによって伝送される前記信号電荷を受信する前記浮遊拡散ノードと、
所定のリセット制御信号に応答して、前記浮遊拡散ノードをリセットするリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される駆動トランジスタと、
所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、を含むＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法において、
（ａ）前記リセットされる浮遊拡散ノードの電圧によって前記データ線のリセットレベルをサンプリングするために、リセットサンプリング区間を行う段階と、
（ｂ）前記フォトダイオードで発生した前記信号電荷を前記浮遊拡散ノードに伝送し、前記信号電荷によって決定される前記浮遊拡散ノードの電圧によって前記データ線のデータレベルをサンプリングするために、データサンプリング区間を行う段階と、
（ｃ）前記（ｂ）段階前の前記集合ノードの電圧を、前記（ｂ）段階後の前記浮遊拡散ノードの電圧と一致させるために、予備区間を行う段階と、を含み、
前記予備区間は、前記リセット制御信号が非活性化され、前記伝送制御信号が活性化される第１同等化領域を含むことを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法を提供する。
【００２０】
また、本発明のさらに別の態様によれば、本発明は、受光した光子によって信号電荷を所定の集合ノードで生成するフォトダイオードと、
所定の伝送制御信号に応答して前記信号電荷を所定の浮遊拡散ノードに提供する伝送トランジスタと、
前記伝送トランジスタによって伝送される前記信号電荷を受信する前記浮遊拡散ノードと、
所定のリセット制御信号に応答して、前記浮遊拡散ノードをリセットするリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される駆動トランジスタと、
所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、を含むＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法において、
（ａ）前記リセットされる浮遊拡散ノードの電圧によって前記データ線のリセットレベルをサンプリングするために、リセットサンプリング区間を行う段階と、
（ｂ）前記（ａ）段階後、前記フォトダイオードで発生する前記信号電荷を前記浮遊拡散ノードに伝送し、前記信号電荷によって決定される前記浮遊拡散ノードの電圧によって前記データ線のデータレベルをサンプリングするために、データサンプリング区間を行う段階と、
（ｃ）前記（ｂ）段階前の前記集合ノードの電圧を、前記（ｂ）段階後の前記浮遊拡散ノードの電圧と一致させるために、予備区間を行う段階と、を含み、
前記予備区間は、前記伝送制御信号が非活性化された状態で、前記リセット制御信号が非活性化される準備領域を含むことを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図４は、４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを示す回路図である。図４を参照すると、４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセル４０は、フォトダイオードＰＨ、伝送トランジスタ４５、リセットトランジスタ４７、浮遊拡散ノードＦＤ、駆動トランジスタ４８および選択トランジスタ４９を含む。
【００２２】
前記フォトダイオードＰＨは、受光した光子によって信号電荷を形成する。望ましくは、前記フォトダイオードＰＨはＰ−Ｉ−Ｎ（Ｐ−ｔｙｐｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｎ−ｔｙｐｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有する。すなわち、前記フォトダイオードＰＨは、Ｐ−ＷＥＬＬまたはＰ型基板上に形成されるＮ型の不純物を注入して不純物層を形成し、ＰＮ接合の境界に真性半導体層を形成する。このようなＰＩＮ構造のフォトダイオードは、Ｎ型不純物層の下側境界面と上側境界面の両方でＰＮ接合を形成するので、量子効率が高くなる。
【００２３】
前記伝送トランジスタ４５は、所定の伝送制御信号ＧＴＸによってオンオフされる。したがって、前記伝送制御信号ＧＴＸが「ハイ」に活性化すると、前記フォトダイオードＰＨは、前記浮遊拡散ノードＦＤへの電流通路を形成する。前記浮遊拡散ノードＦＤは、前記フォトダイオードＰＨから発生する信号電荷を受け取る。
【００２４】
そして、前記リセットトランジスタ４７は、所定のリセット制御信号ＧＲＸによってオンオフされる。すなわち、前記リセット制御信号ＧＲＸが「ハイ」に活性化すると、前記浮遊拡散ノードＦＤに残留する電荷を電源電圧ＶＤＤ側に放出する。したがって、前記リセット制御信号ＧＲＸが活性化し、前記伝送制御信号ＧＴＸが「ハイ」に活性化すると、前記フォトダイオードＰＨ領域のポテンシャルエネルギーは初期化状態になる。
【００２５】
前記駆動トランジスタ４８は、前記浮遊拡散ノードＦＤによってオンオフされる。すなわち、前記駆動トランジスタ４８は、前記浮遊拡散ノードＦＤの電圧レベルによって制御され、データ線ＤＬに伝送される電圧レベルが決定される。
【００２６】
前記選択トランジスタ４９は、前記駆動トランジスタ４８によって伝送される電圧を所定の行(row)選択信号ＧＳＸに応答して、ＣＭＯＳアクティブピクセル４０の列(column)に対応する前記データ線ＤＬに伝送する。前記行選択信号ＧＳＸは、前記ＣＭＯＳアクティブピクセル４０が含まれる行を選択する信号であって、前記行選択信号ＧＳＸが活性化すると、同一行のすべてのＣＭＯＳアクティブピクセルのデータが各々の前記データ線ＤＬに伝送される。
【００２７】
前記データ線ＤＬの電圧は、リセットサンプリング信号ＲＳＨおよびデータサンプリング信号ＤＳＨに応答し、リセット電圧およびデータ電圧がそれぞれサンプリングされて、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２に保存される。そして、保存された前記リセット電圧および前記データ電圧は、比較器５０によって比較され、第１出力信号ＶＯＵＴ１および第２出力信号ＶＯＵＴ２が発生する。
【００２８】
図５は、本発明の一実施形態に係るもので、図４の４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを駆動する信号のタイミング図である。
【００２９】
図５に示すように、光を感知していないＡ区間の間は、リセットトランジスタＧＲＸと伝送トランジスタＧＴＸが同時にターンオンになる。したがって、前記Ａ区間では、フォトダイオードＰＨが初期化される。そして、フォトダイオードＰＨで生成された電子を感知するＣ区間に入る直前に、リセット制御信号ＧＲＸと伝送制御信号ＧＴＸのタイミングが生ずるＢ区間が続く。
【００３０】
本発明の特徴は、前記Ｂ区間の存在にある。前記Ｂ区間のタイミングは、感知された光電子によるデータを読み出すＤ区間のタイミングを考慮したもので、前記Ｂ区間と同じ大きさのフォトダイオードと伝送トランジスタ４５の電位障壁を形成するためのものである。
【００３１】
このような電位障壁形成するために、前記Ｂ区間は、データを読み出す時の前記Ｄ区間と同じ環境でタイミングを形成する。すなわち、前記Ｂ区間は、リセットトランジスタ４７がターンオフになった状態で、伝送トランジスタ４５をターンオンさせてからターンオフさせるタイミングを含む。このようなタイミング動作によって、従来技術に関連して説明したように、フォトダイオードと伝送トランジスタの電位障壁が上昇することになる。
【００３２】
したがって、Ｃ区間が始まる前、フォトダイオードＰＨと伝送トランジスタ４５の境界面での電子ポテンシャルは、前記Ｄ区間で形成される電子ポテンシャルの分だけ予め上昇する。したがって、前記Ｄ区間の読出し動作のように、フォトダイオードＰＨで発生した光電子によるデータを読み出す場合、電位障壁（ｗ１＋ｗ２）によって脱出できない電荷量が、前もって前記Ｃ区間でフォトダイオードＰＨに満たされる。
【００３３】
その後、リセットトランジスタ４７はターンオフ状態を維持することもでき、または再びターンオンさせることもできる。リセットトランジスタ４７をターンオフ状態に維持させる場合には、暗電流の発生が減少して、全体的にパワー損失を減少できる。
【００３４】
前記Ｃ区間の感知動作が終了し、フォトダイオードＰＨに蓄積された電荷は、図５のＤ区間のタイミング図にしたがって読み出される。すなわち、リセットサンプリング信号ＲＳＨと信号サンプリング信号ＤＳＨを活性化し、相関二重サンプリング方式によってピクセルデータを出力する。
【００３５】
本明細書においては、前記Ａ区間とＢ区間を合わせて「リセット区間」と称する。そして、Ｃ区間は「感知区間」、Ｄ区間は「読出し区間」と称する。
【００３６】
図６は、図５の変形したタイミング図であって、リセット区間で伝送制御信号ＧＴＸの非活性化時点が遅くなって、Ｂ’区間の幅が多少減少しても、本発明は正常に実行できることを示す。
【００３７】
図５および図６に示す本発明での前記リセット制御信号ＧＲＸと前記伝送制御信号ＧＴＸの動作をまとめると、前記リセット制御信号ＧＲＸは非活性化状態を維持し、前記伝送制御信号ＧＴＸは、活性化されてから非活性化される区間がリセット区間（Ｂ区間）と読出し区間（Ｄ区間）の両方に含まれる。
【００３８】
一方、Ｂ区間のタイミングとＤ区間のタイミングを別々に制御するためには、図７に示すような制御信号生成器が必要である。図７において、集積伝送信号Ｉｎｔｅｇ−ＴＸと集積リセット信号Ｉｎｔｅｇ−ＲＸは、図５および図６でのＢ区間の制御信号をピクセルに印加するための信号線である。すなわち、図７の制御信号生成器は、Ｂ区間での制御信号を生成するために、リセット区間を制御する集積伝送信号Ｉｎｔｅｇ−Ｔｘと集積リセット信号Ｉｎｔｅｇ−Ｒｘによって制御される。また、図７の制御信号生成器には、通常の場合と同様に、スキャン伝送制御信号Ｓｃａｎ−Ｔｘ、スキャンリセット制御信号Ｓｃａｎ−Ｒｘ、およびスキャン選択信号Ｓｃａｎ−Ｓｘが提供される。前記スキャン伝送制御信号Ｓｃａｎ−Ｔｘ、スキャンリセット制御信号Ｓｃａｎ−Ｒｘ、およびスキャン選択信号Ｓｃａｎ−Ｓｘは、図５および図６のＤ区間の制御信号をピクセルに印加するための信号である。括弧の中のｎはセンサ配列の中で該当行を示す。そして、ＡｎおよびＡｎ＋１は、リセット区間で特定の行を選択する信号であり、ＢｎおよびＢｎ＋１は、読出し区間で特定の行を選択する信号である。
【００３９】
図８は、本発明の他の実施形態に係る４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを示す回路図である。図８を参照して、４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセル８０は、フォトダイオードＰＨ、伝送トランジスタ８５、リセットトランジスタ８７、浮遊拡散ノードＦＤ、駆動トランジスタ８８および選択トランジスタ８９を含む。
【００４０】
前記フォトダイオードＰＨは、受光した光子によって信号電荷を形成する。ここで、前記フォトダイオードＰＨのＮ側端子を、集合ノードＳＵＭと称する。したがって、前記フォトダイオードＰＨで発生した信号電荷は、集合ノードＳＵＭに結集される。前記伝送トランジスタ８５は、所定の伝送制御信号ＴＸに応じてオンオフされる。前記伝送制御信号ＴＸが「ハイ」に活性化される。すると、前記集合ノードＳＵＭで結集された信号電荷は、前記浮遊拡散ノードＦＤに伝送され、前記浮遊拡散ノードＦＤは、前記フォトダイオードＰＨで発生した信号電荷を受け取ることになる。一方、前記伝送制御信号ＴＸが「ロー」に非活性化されると、前記集合ノードＳＵＭは、前記浮遊拡散ノードＦＤおよび外部電源電圧ＶＤＤから電気的に分離される。
【００４１】
前記リセットトランジスタ８７は、リセット制御信号ＲＸに応答してオンオフされる。前記リセット制御信号ＲＸが「ハイ」に活性化すると、前記浮遊拡散ノードＦＤに残留する電荷は外部電源電圧ＶＤＤ側に放出される。したがって、前記リセット制御信号ＲＸが活性化し、前記伝送制御信号ＴＸが「ハイ」に活性化すると、前記集合ノードＳＵＭは初期化される。
【００４２】
前記駆動トランジスタ８８は、前記浮遊拡散ノードＦＤによってオンオフされ、データ線ＤＬに伝送される電圧レベルを決定する。すなわち、前記データ線ＤＬの電圧レベルは、前記浮遊拡散ノードＦＤの電圧レベルから前記駆動トランジスタ８８のスレショルド電圧の分だけ降下した電圧である。
【００４３】
前記選択トランジスタ８９は、前記駆動トランジスタ８８によって伝送される電圧を、所定の行選択信号ＳＸに応答して、ＣＭＯＳアクティブピクセル８０の列に対応する前記データ線ＤＬに伝送する。前記行選択信号ＳＸは、前記ＣＭＯＳアクティブピクセル８０が含まれる行を選択する信号であって、前記行選択信号ＳＸが活性化すると、同じ行のすべてのＣＭＯＳアクティブピクセルのデータは、各々の前記データ線ＤＬに伝送される。
【００４４】
前記データ線ＤＬの電圧は、サンプリング信号ＳＨの第１活性化および第２活性化に応答し、リセットレベルおよびデータレベルにそれぞれ対応する電圧がサンプリングされる。そして、サンプリングされた前記データ線ＤＬの電圧は、相関二重サンプリング回路９０によってサンプリングされて、相関二重サンプリング技法により出力信号ＶＯＵＴを発生する。
【００４５】
図９は、図８の４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを駆動する信号のタイミング図である。図９に示すように、Ｔ２１区間の初期では、リセットトランジスタ８７と伝送トランジスタ８５が同時にターンオンになる。したがって、前記Ｔ２１区間の初期区間で、前記フォトダイオードＰＨに連結された集合ノードＳＵＭが初期化される。前記Ｔ２１区間は光を感知しない区間であって、本明細書では「予備区間」と称する。そして、リセット制御信号ＲＸが時点ｔ２１で非活性化され、伝送制御信号ＴＸが時点ｔ２２で非活性化される。この時点から、前記フォトダイオードＰＨが外部の光などに反応すれば、前記集合ノードＳＵＭに信号電荷が蓄積される。本明細書において、前記リセット制御信号ＲＸが非活性化される時点ｔ２１から前記伝送制御信号ＴＸが非活性化される時点ｔ２２までの区間であるＫ２１１領域を「第１同等化領域」と称する。以後、Ｔ２２区間が行われる。前記Ｔ２２区間は、図１のＴ１２区間に対応する区間であって、イメージセンサのピクセルが光と反応して信号電荷を集合ノードＳＵＭに蓄積する区間である。
【００４６】
次に、Ｔ２３区間が行われる。前記Ｔ２３区間は、図３のＴ１３区間に対応する区間であり、リセットレベルｖｒｓｔに対応するデータ線ＤＬの電圧がサンプリングされる。すなわち、時点ｔ２３でリセット制御信号ＲＸが非活性化された後、サンプリング信号ＳＨの活性化領域ＳＨ１で、浮遊拡散ノードＦＤのリセットレベルｖｒｓｔに対応するデータ線ＤＬの電圧がサンプリングされる。本明細書においては、前記Ｔ２３区間を「リセットサンプリング区間」と称する。
【００４７】
続いて、Ｔ２４区間が行われる。前記Ｔ２４区間は、図３のＴ１４区間に対応する区間であり、データレベルｖｄａｔに対応するデータ線ＤＬの電圧がサンプリングされる。すなわち、前記伝送制御信号ＴＸの活性化領域Ｋ２４１の間に、前記集合ノードＳＵＭに蓄積された電荷が前記浮遊拡散ノードＦＤに伝送される。そして、サンプリング信号ＳＨの活性化領域ＳＨ２で、前記浮遊拡散ノードＦＤのデータレベルｖｄａｔに対応するデータ線ＤＬの電圧がサンプリングされる。本明細書においては、前記Ｔ２４区間を「データサンプリング区間」と称する。
【００４８】
ところが、図９の実施形態は、図３の従来技術と比べて、前記予備区間Ｔ２１で下記の相違点を有する。すなわち、前記Ｔ２１区間で、リセット制御信号ＲＸは非活性化し、伝送制御信号ＴＸは活性化する前記「第１同等化領域ｋ２１１」が含まれる。前記第１同等化領域ｋ２１１では、前記伝送トランジスタＴ２５がターンオンになって、前記集合ノードＳＵＭの電圧が前記浮遊拡散ノードＦＤのリセットレベルｖｒｓｔに近くなる。したがって、前記集合ノードＳＵＭの初期電圧と前記リセットレベル間の電圧差は、図３の場合に比べて１／２程度に減少する。
【００４９】
図１０は、図９のタイミング図を変形したタイミング図である。図１０は、図９とほぼ同じであるが、前記集合ノードＳＵＭと前記浮遊拡散ノードＦＤを同等化する回数が相違する。すなわち、図９の予備区間Ｔ２１内では「第１同等化領域ｋ２１１」のみが行われる。一方、図１０では、予備区間Ｔ３１内で「第１同等化領域ｋ３１１」が行われた後に、「分離領域ｋ３１２」および「第２同等化領域ｋ３１３」が行われる。すなわち、前記分離領域ｋ３１２では、前記伝送制御信号ＴＸは「ロー」に非活性化され、前記リセット制御信号ＲＸは「ハイ」に活性化される。前記分離領域ｋ３１２では、前記第１同等化領域ｋ３１２の間に集合ノードＳＵＭに伝送される信号電荷によって変化した浮遊拡散ノードＦＤの電荷を、再びリセットレベルｖｒｓｔに回復させる。そして、前記「第２同等化領域ｋ３１３」でさらに前記集合ノードＳＵＭと前記浮遊拡散ノードＦＤの同等化が行われる。このように、図１０において同等化領域ｋ３１１、ｋ３１３が２回行われることにより、前記集合ノードＳＵＭの初期電圧と前記リセットレベル間の電圧差は、図３に比べて１／２２程度に減少する。
【００５０】
一方、リセット区間Ｔ３１内の前記同等化領域の数は増加させることが可能である。リセット区間Ｔ３１内の前記同等化領域の数がｎ（ｎは３以上の整数）に増加すれば、前記集合ノードＳＵＭの初期電圧と前記リセットレベルの電圧間の差は、図３の場合に比べて１／２ｎに減少することになる。
【００５１】
図１１は、本発明の図１０のタイミング図を変形したタイミング図である。図１１は、図１０とほぼ同じであるが、前記リセット制御信号ＲＸの非活性化が、図１０では、伝送制御信号ＴＸが「ハイ」に活性化された状態で行われるのに対して、図１１では、伝送制御信号ＴＸが「ロー」に活性化された状態で行われるという点で相違する。以後、図１１でも、第１同等化領域ｋ４１１、分離領域ｋ４１２、第２同等化領域ｋ４１３が行われる。すなわち、２回の同等化領域ｋ４１１、ｋ４１２が発生する。図１１のタイミング図による効果は、図１０のタイミング図による効果とほとんど同じであるので、それに関する具体的な説明は省略する。
【００５２】
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて具体的に図示し説明したが、当業者であれば、添付した特許請求の範囲によって定まる本発明の精神および範囲から逸脱しないで多様な変形形態が可能であることが理解できるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上説明したように、読出し区間で発生する伝送制御信号とリセット制御信号のタイミングをリセット区間で予め行うことにより、読出し区間で発生する大きさを有するフォトダイオード領域と伝送トランジスタ間の電位障壁がリセット区間で予め形成され、フォトダイオード領域に電荷が満たされる。よって、読出し区間では無反応領域が最小化される。したがって、イメージセンサの最小光量特性が向上する。
また、リセット区間で、フォトダイオードで発生した信号電荷を蓄積する集合ノードと浮遊拡散ノードとを連結する伝送トランジスタを、１回または２回以上ターンオンさせる。したがって、集合ノードの初期電圧と浮遊拡散ノードのリセットレベルの電圧との差がかなり低減する。こうして本発明のＣＭＯＳアクティブピクセルの駆動方法により、イメージセンサの低照度特性が著しく改善される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを駆動するタイミング図である。
【図２】４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを示す図であり、フォトダイオードの断面および、図１のタイミング図に基づいて各領域別電子ポテンシャルを説明している。
【図３】４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサの駆動についての他のタイミング図である。
【図４】４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを示す回路図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るもので、図４の４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを駆動する信号のタイミング図である。
【図６】図５の変形したタイミング図である。
【図７】図５のタイミング図における伝送制御信号およびリセット制御信号を発生する制御信号生成器の例を示す回路図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを示す回路図である。
【図９】図８の４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを駆動する信号のタイミング図である。
【図１０】図９の変形したタイミング図である。
【図１１】図１０変形したタイミング図である。
【図１】
2006517360.tif 000003
【図２】
2006517360.tif 000004
【図３】
2006517360.tif 000005
【図４】
2006517360.tif 000006
【図５】
2006517360.tif 000007
【図６】
2006517360.tif 000008
【図７】
2006517360.tif 000009
【図８】
2006517360.tif 000010
【図９】
2006517360.tif 000011
【図１０】
2006517360.tif 000012
【図１１】
2006517360.tif 000013
【国際調査報告】
2006517360.tif 000014
2006517360.tif 000015